Cấy ghép điện từ cho phép phục hồi chức năng thần kinh từ xa – Vật Lý Thế Giới

Cấy ghép điện từ cho phép phục hồi chức năng thần kinh từ xa – Vật Lý Thế Giới

Dấu thời gian: Ngày 1 tháng 2023 năm 8 05:XNUMX sáng

Joshua Chen
Siêu vật liệu mới Cựu sinh viên tiến sĩ Joshua Chen và các đồng nghiệp của Đại học Rice đã thiết kế một vật liệu điện từ có thể kích thích trực tiếp mô thần kinh và thu hẹp các khoảng trống ở các dây thần kinh bị đứt. (Được phép: Gustavo Raskosky/Đại học Rice)

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice ở Mỹ đã phát triển một thiết bị cấy ghép không dây có khả năng kích thích tế bào thần kinh phản ứng với các xung từ tính. Để có thể vận hành từ xa, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một siêu vật liệu mới có thể chuyển đổi từ trường bên ngoài thành tín hiệu điện có thể được truyền qua dây thần kinh. Trong một nghiên cứu được báo cáo ở Vật liệu tự nhiên, tác giả đầu tiên Joshua Chen và các đồng nghiệp chứng minh rằng thiết bị này có thể khôi phục chức năng thần kinh ở chuột. Họ đề xuất rằng loại vật liệu mới này có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các phương pháp điều trị y tế ít xâm lấn hơn đối với các tình trạng sức khỏe thần kinh và tâm thần.

Kích thích hệ thần kinh bằng điện trường đã được khám phá để điều trị một loạt các rối loạn bao gồm bệnh Parkinson và trầm cảm. Một điện cực được cấy vào não hoặc dây thần kinh và được kết nối bằng dây dẫn với một thiết bị bên ngoài để gửi tín hiệu điện đến mô đích. Mục đích của nghiên cứu mới nhất này là chế tạo một bộ phận cấy ghép có thể hoạt động từ xa, đòi hỏi ít phẫu thuật xâm lấn hơn.

Nhà kỹ thuật thần kinh giải thích: “Có một lợi ích trị liệu mà chúng tôi đang cố gắng đạt được mà không cần có một thiết bị lớn nào được đưa vào bên trong cơ thể”. Jacob Robinson người đứng đầu dự án.

Bộ cấy như vậy sẽ cần gửi tín hiệu đến các tế bào để phản ứng với kích thích bên ngoài và thực hiện việc này với thời gian trễ tính bằng mili giây, đồng thời đủ nhỏ để mang lại phản hồi có mục tiêu. Sự kết hợp các đặc tính này không được tìm thấy trong tự nhiên hoặc trong các vật liệu kỹ thuật hiện có.

Đáp ứng yêu cầu kích thích thần kinh từ xa

Từ trường thâm nhập sâu vào bên trong cơ thể nhưng kích thích tế bào kém hiệu quả hơn điện trường. Để kích hoạt phản ứng của tế bào từ xa, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một siêu vật liệu điện từ có thể chuyển đổi tín hiệu từ trường xen kẽ thành điện trường. Ở hai bên của thiết bị là một lớp vật liệu tạo ra biến dạng để phản ứng với từ trường, và ở giữa là vật liệu áp điện tạo ra điện trường để phản ứng với biến dạng.

Các nhà khoa học khác đã nghiên cứu vật liệu điện từ để kích thích tế bào thần kinh từ xa, nhưng những thiết bị này quá chậm để bắt chước tín hiệu thần kinh. Để giảm thiểu thời gian trễ, vật liệu phải được điều khiển ở tần số cộng hưởng của nó, thường là vài trăm kilohertz. Tuy nhiên, màng tế bào thần kinh lọc các tín hiệu tần số cao, vì vậy các thiết bị trước đây đã bị điều khiển xa khỏi sự cộng hưởng.

Ý tưởng mà nhóm phát triển là bộ cấy có thể được thiết kế để kích thích tế bào đồng thời điều khiển vật liệu ở trạng thái cộng hưởng bằng cách chuyển đổi dòng điện trong thiết bị từ AC sang DC. Để đạt được điều này, họ đặt một diode màng mỏng lên siêu vật liệu sao cho dòng điện trong quá trình hoạt động xoay chiều sẽ chủ yếu chạy theo một hướng, dẫn đến độ lệch DC.

Chương trình cấy ghép trong cơ thể lời hứa

Để chứng minh khái niệm, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết bị này có thể được sử dụng để khôi phục chức năng thần kinh trên mô hình động vật. Họ gắn thiết bị cấy ghép vào dây thần kinh hông bị đứt ở chân của một con chuột và cho thấy rằng việc áp dụng xung từ sẽ kích thích các cơ ở chân của con vật. Bộ cấy đạt được thời gian trễ mục tiêu là 5 ms, tương đương với tốc độ giao tiếp thần kinh trong cơ thể.

Phục hồi sự dẫn truyền qua dây thần kinh bị đứt
Thu hẹp khoảng cách Sơ đồ cho thấy cách thiết bị cấy ghép có thể hỗ trợ phục hồi dẫn truyền qua dây thần kinh hông bị đứt trong cơ thể (Được phép: JC Chen và cộng sự Nat. Mẹ ơi. doi.org/10.1038/s41563-023-01680-4)

Thiết bị này thực hiện thao tác điện từ mà các vật liệu tự nhiên không thể tái tạo được. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch điều tra xem liệu bộ phận cấy ghép có thể được thu nhỏ đến kích thước vi mô hay nano hay không, cho phép nó được sử dụng trong não và có khả năng ở dạng tiêm.

Robinson cho biết thêm rằng họ cũng đang xem xét các ứng dụng khác, chẳng hạn như nguồn điện, nơi có thể khai thác các hiệu ứng điện từ mới. “Tôi nghĩ có cả một loại siêu vật liệu mà chúng ta có thể tạo ra, trong đó mối quan hệ giữa từ trường và điện trường là do chúng ta thiết kế,” ông nói.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý