Es sind winzige, drahtlose, batterielose Sensoren, die nicht größer als ein Stück Sand sind. In Zukunft könnten diese „Neural Dust“ -Sensoren jedoch dazu verwendet werden, die Prothetik anzutreiben, die Organgesundheit zu überwachen und das Fortschreiten von Tumoren zu verfolgen.
Berkeley, ein Team von Ingenieuren und Neurowissenschaftlern an der University of California, arbeitet seit einem halben Jahrzehnt an der Technologie. Sie haben es jetzt geschafft, die Sensoren in Ratten zu implantieren, wo sie Nerven- und Muskelimpulse per Ultraschall überwachen. Ihre Forschung erscheint in der Zeitschrift Neuron .
"Es gibt viele aufregende Dinge, die die Tür öffnen", sagt Michel Maharbiz, Professor für Ingenieurwissenschaften und einer der beiden Hauptautoren der Studie.
Die von Maharbiz und seinem Mitautor, dem Neurowissenschaftler Jose Carmena, entwickelten neuronalen Staubsensoren bestehen aus einem piezoelektrischen Kristall (der als Reaktion auf physischen Druck eine Spannung erzeugt), der an eine einfache elektronische Schaltung angeschlossen ist, die alle auf einer winzigen Polymerplatte montiert ist. Eine Veränderung der den Sensor umgebenden Nerven- oder Muskelfasern verändert die Schwingungen des Kristalls. Diese Schwankungen, die durch Ultraschall erfasst werden können, geben Forschern einen Eindruck davon, was tief im Körper vor sich gehen könnte.
Neuronales Staubdiagramm (UC Berkeley) Laut Maharbiz ist es seit langem ein Rätsel, Schnittstellen zur Aufzeichnung oder Stimulierung des Nervensystems zu schaffen, das auch über Jahrzehnte im Körper Bestand haben wird. Viele Implantate zersetzen sich nach ein oder zwei Jahren. Einige erfordern Drähte, die aus der Haut herausragen. Andere arbeiten einfach nicht effizient. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler Radiofrequenzen verwendet, um mit medizinischen Implantaten zu kommunizieren. Dies ist gut für größere Implantate, sagt Maharbiz. Aber für kleine Implantate wie den Nervenstaub sind Radiowellen zu groß, um effizient zu arbeiten. Also hat das Team stattdessen Ultraschall ausprobiert, was viel besser funktioniert.
In der Zukunft experimentiert das Team mit dem Bau neuronaler Staubsensoren aus verschiedenen Materialien, die für den menschlichen Körper unbedenklich sind. Sie versuchen auch, die Sensoren viel kleiner zu machen, klein genug, um tatsächlich in die Nerven zu passen. Bisher wurden die Sensoren im peripheren Nervensystem und in den Muskeln eingesetzt. Wenn sie jedoch geschrumpft sind, können sie möglicherweise direkt in das zentrale Nervensystem oder das Gehirn implantiert werden.
In eine Ratte implantierter neuronaler Staub (UC Berkeley) Kleinere Operationen waren erforderlich, um die Sensoren in die Ratten zu bringen. Das Team arbeitet derzeit mit Mikrochirurgen zusammen, um herauszufinden, welche laparoskopischen oder endoskopischen Technologien am besten geeignet sind, um die Geräte minimal invasiv zu implantieren.
Es kann Jahre dauern, bis die Technologie für menschliche Tests bereit ist, sagt Maharbiz. Auf der anderen Seite kann der Nervenstaub genutzt werden, um die Prothetik über Nervenimpulse zu versorgen. Eine gelähmte Person könnte theoretisch einen Computer steuern oder ein Amputierter könnte mithilfe der Sensoren eine Roboterhand antreiben. Der neuronale Staub könnte auch verwendet werden, um Gesundheitsdaten wie Sauerstoffwerte, pH-Wert oder das Vorhandensein bestimmter chemischer Verbindungen zu verfolgen oder die Organfunktion zu überwachen. Bei Krebspatienten könnten Sensoren, die in der Nähe von Tumoren implantiert sind, ihr Wachstum kontinuierlich überwachen.
"Es ist eine neue Grenze", sagt Maharbiz. "Es gibt nur eine erstaunliche Menge, die Sie tun können."
