斯坦福大学的工程师们制造出一种新型毫米级的神经刺激植入体（nerve-stimulating implant）。相比于其他同等大小的植入体，它在一个关键参数上拔得头筹：体内运作的深度。在体内深处，6.5毫米长的可编程植入体可以通过可穿透10.5厘米组织的超声波接收到能量和信号。它的发明者说，这对大多数应用都是足够深的。正因为这种植入体的多功能性和小尺寸——稍作调整，它就可以不经手术而是通过针头注射进人体——它的发明者们预计这将大大增加通过电刺激人体神经进行治疗的病例数目。
迄今为止，大多数的电子治疗都集中于刺激脊柱神经来控制疼痛和刺激迷走神经来治疗癫痫和抑郁。然而，研究人员一直致力于扩大电子治疗的应用范围，例如结束产后出血（postpartum bleeding）、缓解类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis）和恢复膀胱控制功能等等。
由于目前的植入需要手术，“使用可植入设备治疗疾病被视为最后的解决方案，”斯坦福大学电气工程助理教授Amin Arbabian说，“倘如你还有任何一种其他的方法来治疗疾病，你就会更倾向于选择那一种方法而不是可植入设备。”但是Arbabian教授认为，如果一种神经刺激器可以通过微创手术或简单注射就植入人体，那么愿意接受神经刺激治疗的患者将达到如今的100倍以上。
斯坦福大学制造的这款植入体由以下几部分组成：一个压电接收器（piezoelectric receiver），用于将体外施加的超声波转化为电能；一个电容器，用于储存电能；两个刺激电极，一个发光二极管和一个定制芯片进行整体控制。这些组件都被包装在一个米粒大小或是更小的生物相容性材料内。
该设备的电刺激参数有着非凡的灵活性。它是可编程的，可以根据超声信号传导的数据调节刺激的幅度、脉冲宽度（pulse width）和频率，以保持与人体周围神经最契合的状态。Arbabian说：“我们之所以能够做到这一切，是因为在大型组织深处，我们的设备相较于传统无线植入物有着更高数量级的能量。
如何将数据和能量传输进入体内的问题一直困扰着科学家们，随着植入体的减小，传输也变得更困难。“我们的目标是，使我们的设备既小巧又可以在体内深处运作。”Arbabian的学生Jayant Charthad说，“如何传输无线的能量和数据是最困难的问题。”在组织深度与系统体积之比这一特定参数上，斯坦福制造的刺激器已经优于其他类似的刺激器至少一个数量级。“这在‘电子治疗’的研究过程中是一个长期的挑战”，他说。
Arbabian的研究团队制造的植入体，没有像其他植入体那样选择无线电波进行能量和数据的传输，而是选择了超声波。一方面因为超声波拥有与植入体毫米尺寸相匹配的小波长，另一方面超声波可以穿透人体却不会伤害到中介的组织。即便如此，该系统仍需要相当多的设计来确保这种植入体能够充分利用超声波的能量。“这将花费五到六个学生五到六年的时间来完成，”Arbabian说“这不是一项简单而直接的工作。”
现在，研究团队已经建立起了有效的刺激器模型，是时候在生物体上进行测试了。Arbabian说，初期应用很有可能是将其作为膀胱控制系统中的刺激器。但首先他们需要在动物身上进行测试。这时，系统中的发光二极管就派上了用场。当电刺激产生时，植入体就会为光遗传学实验（optogenetics experiments）提供光能——这种光能可以触发植入体附近基因修饰神经元的特定行为。Arbabian说，能够控制和协调电刺激和光学刺激“将开辟许多新的科学领域”，“它将成为我们探索发现的新平台”。
Arbabian及其团队在 IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems 杂志的四月刊上发表了他们的研究结果。
作者：Samuel K. Moore
翻译：张泽昊
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