无线“神经尘埃”可以监控你的大脑

科幻小说中关于用电线连接大脑和电脑的情节现在可能已经过时了。无线供电的植入物比一粒米还小，可以作为“神经尘埃”，有朝一日可以扫描和刺激脑细胞。这类研究有朝一日可能有助于开发用于控制假肢、外骨骼和机器人的下一代脑机接口，以及用于治疗大脑和身体疾病的“电子药物”。

加州大学伯克利分校的科学家制作的新原型每个长约 3 毫米，高 1 毫米，厚 4/5 毫米。每个神经尘埃微粒都拥有一个压电晶体，可以将从体外发出的超声波脉冲的机械能转化为电能。每秒发出的 60 个超声波脉冲的能量驱动微粒上的传感器和其他电子设备。

压电晶体会反射部分传入的超声波脉冲。神经尘埃微粒中的电子元件可以改变向外散射的脉冲，从而可以无线传输它们收集的数据。在对老鼠的实验中，研究人员发现，植入腿部神经和肌肉纤维中的神经尘埃微粒可以记录和传输电子数据。

“我一开始对这个概念非常怀疑，因为它太不合常规了，”DARPA 的生物工程师兼神经科学家 Doug Weber 说道，他曾资助神经尘埃研究。“但这确实是一种巧妙的方法，而且效果很好。”

研究人员希望制造出无线植入物，以避免刺激身体。连接神经的传统电子植入物严重依赖电线，而电线会随着时间的推移使组织发炎。

“他们采用的方法非常巧妙，”莱斯大学神经工程师雅各布·罗宾逊 (Jacob Robinson) 表示，他没有参与这项研究。“他们解决了神经接口领域最重要的挑战之一。”

科学家们之前曾探索过利用无线电波为神经尘埃粒子供电并与其进行通信。然而，加州大学伯克利分校的电气工程师研究员米歇尔·马哈比兹 (Michel Maharbiz) 表示，无线电波不擅长深入人体内部，而数十年的超声波成像显示，超声波脉冲非常擅长穿透软组织。

韦伯说：“这是一项突破性技术，它真正改变了感知和刺激神经活动（尤其是身体深层神经）的可能性。”

最终，研究人员希望将神经尘埃粒子缩小到只有 50 微米宽，大约是人类头发平均宽度的一半。Maharbiz 说，在这个尺寸下，“人体应该能够忍受它们更长时间”。

科学家们目前正在开发能够电刺激人体的微尘。如果成功，这意味着神经微尘不仅可以监测健康状况，还可以积极地作为电疗法来治疗癫痫等脑部疾病。

迄今为止，神经尘埃实验仅涉及服务于四肢和器官的周围神经系统，而不是由大脑和脊髓组成的中枢神经系统。加州大学伯克利分校的神经学家和电气工程师 Jose Carmena 表示，电疗法在周围神经系统中仍有许多应用，例如膀胱控制或食欲抑制。

从长远来看，科学家们希望在大脑和脊髓中发现神经尘埃。韦伯说，针对中枢神经系统的神经尘埃面临的一个挑战是超声波无法很好地穿过骨骼。“如果你想创建一个脑机接口，这会带来挑战，但我并不是说这绝对不可能，”韦伯补充道。

研究人员目前正在进一步缩小这些微粒的体积，寻找更多生物相容性材料来包装它们，以便它们能在体内停留更长时间，并将其他传感器整合到其中。马哈比兹说，最终这些微粒将可以用于身体的任何部位，而不仅仅是神经系统。

“从长远来看，我们希望能够向全身的植入物传送能量并进行通信，以多种不同方式记录来自各种器官的数据，甚至报告肿瘤或癌症治疗的情况，”马哈比兹说。

科学家于8月3日在《神经元》杂志网络版上详细介绍了他们的研究结果。