La petite taille de StimDust peut être vue par rapport à un centime. Crédit :Rikky Muller
En 2016, Université de Californie, Berkeley, les ingénieurs ont démontré le premier implanté, capteurs de poussière neurale à ultrasons, rapprocher le jour où un appareil de type Fitbit pourrait surveiller les nerfs internes, muscles ou organes en temps réel. Maintenant, Les ingénieurs de Berkeley ont fait un pas en avant à la poussière neuronale en construisant le plus petit volume, stimulateur nerveux sans fil le plus efficace à ce jour.
Le dispositif, appelé StimDust, abrégé pour stimuler la poussière neuronale, ajoute une électronique plus sophistiquée à la poussière neuronale sans sacrifier la petite taille ou la sécurité de la technologie, élargissant considérablement la gamme d'applications de la poussière neuronale. L'objectif des chercheurs est d'implanter StimDust dans le corps par des procédures mini-invasives pour surveiller et traiter la maladie en temps réel, approche spécifique au patient. StimDust ne mesure que 6,5 millimètres cubes de volume et est alimenté sans fil par ultrasons, que l'appareil utilise ensuite pour alimenter la stimulation nerveuse avec une efficacité de 82 %.
"StimDust est le plus petit stimulateur des tissus profonds à notre connaissance, capable de stimuler presque toutes les cibles thérapeutiques majeures du système nerveux périphérique, " a déclaré Rikky Muller, co-responsable des travaux et professeur assistant en génie électrique et informatique à Berkeley. "Cet appareil représente notre vision d'avoir de minuscules appareils qui peuvent être implantés de manière peu invasive pour moduler ou stimuler le système nerveux périphérique, qui s'est avéré efficace dans le traitement d'un certain nombre de maladies."
La recherche sera présentée le 10 avril à la conférence IEEE Custom Integrated Circuits à San Diego. L'équipe de recherche a été codirigée par l'un des inventeurs de la poussière neuronale, Michel Maharbiz, professeur de génie électrique et d'informatique à Berkeley.
Ce graphique détaille la simplicité du design StimDust. Les composants de StimDust comprennent un seul piézocristal, qui est l'antenne du système, un circuit intégré de 1 millimètre et un condensateur de stockage de charge. Crédit :Rikky Muller
La création de poussière neuronale à Berkeley, dirigé par Maharbiz et José Carmena, professeur de génie électrique et d'informatique à Berkeley et membre du Helen Wills Neuroscience Institute, a ouvert la porte à la communication sans fil avec le cerveau et le système nerveux périphérique grâce à de minuscules dispositifs implantables à l'intérieur du corps qui sont alimentés par des ultrasons. Des équipes d'ingénieurs du monde entier utilisent désormais la plate-forme de poussière neuronale pour créer des appareils pouvant être chargés sans fil par ultrasons.
Maharbiz a eu l'idée d'utiliser des ultrasons pour alimenter et communiquer avec de très petits implants. Avec les professeurs de Berkeley Elad Alon et Jan Rabaey, le groupe a ensuite développé le cadre technique pour démontrer la puissance de mise à l'échelle des ultrasons pour les dispositifs implantables.
Les premiers travaux d'ingénierie de D.J. Seo, un doctorat de Berkeley étudiant qui a été co-encadré par Alon et Maharbiz, suivi de validations expérimentales par Ryan Neely, un autre doctorat de Berkeley. étudiant, conseillé par Carmena, jeter les bases de la vision de la poussière neuronale. Dans les années qui ont suivi l'invention de la poussière neuronale, l'échographie s'est avérée être l'une des technologies les plus prometteuses pour l'alimentation et la communication des dispositifs implantables.
Muller est arrivé à Berkeley en 2016 et a été un moteur clé de l'innovation en matière de poussière neuronale. Son groupe de recherche est spécialisé dans les interfaces électroniques bidirectionnelles avec le corps humain, spécifiquement dans le cerveau et le système nerveux périphérique. Son équipe a travaillé sur des moyens d'utiliser la puissance qui peut être transmise à la poussière neuronale. Dans StimDust, son laboratoire a pris la plate-forme de poussière neuronale et a construit un stimulateur plus efficace qui peut s'enrouler autour d'un brassard nerveux et peut également enregistrer, transmettre et recevoir des données. Ils l'ont fait en concevant un circuit intégré personnalisé pour transférer la charge ultrasonore au nerf de manière bien contrôlée, manière sûre et efficace.
StimDust monté sur un nerf sciatique de souris vivant via un brassard. Crédit :Rikky Muller.
StimDust est environ un ordre de grandeur plus petit que n'importe quel appareil actif doté de capacités similaires dont l'équipe de recherche a connaissance. Les composants de StimDust comprennent un seul piézocristal, qui est l'antenne du système, un circuit intégré de 1 millimètre et un condensateur de stockage de charge. StimDust a des électrodes en bas, qui entrent en contact avec un nerf à travers une manchette qui s'enroule autour du nerf. En plus de l'appareil, L'équipe de Muller a conçu un protocole sans fil personnalisé qui leur offre une large gamme de programmabilité tout en maintenant l'efficacité. L'ensemble de l'appareil est alimenté par seulement 4 microwatts et a une masse de 10 milligrammes.
Après avoir testé StimDust sur la paillasse, l'équipe de recherche l'a implanté dans un rongeur vivant pour le tester dans un environnement réaliste. Par une manchette autour du nerf sciatique, l'équipe de recherche a pu contrôler le mouvement des pattes arrière, enregistrer l'activité de stimulation et mesurer la force exercée sur le muscle de la patte arrière lorsqu'il a été stimulé. Les chercheurs ont ensuite progressivement augmenté la stimulation et cartographié la réponse du muscle de la patte arrière afin qu'ils puissent savoir exactement combien de stimulation était nécessaire pour un recrutement musculaire souhaité, une sorte d'analyse sophistiquée exigée des dispositifs médicaux.
Muller espère que son travail pourra conduire à des applications de StimDust pour traiter des maladies telles que les irrégularités cardiaques, la douleur chronique, l'asthme ou l'épilepsie.
"L'une des grandes visions de mon groupe est de créer ces interfaces bidirectionnelles très efficaces avec le système nerveux et de coupler cela avec l'intelligence pour vraiment comprendre les signaux de la maladie et ensuite pouvoir traiter la maladie de manière intelligente, manière méthodique, " a déclaré Muller. Il existe une opportunité incroyable pour les applications de soins de santé qui peuvent vraiment être transformatrices. "
