Nel 2016, Università della California, Berkeley, ingegneri hanno dimostrato il primo impianto, sensori neurali ultrasonici della polvere, avvicinando il giorno in cui un dispositivo simile a Fitbit potrebbe monitorare i nervi interni, muscoli o organi in tempo reale. Ora, Gli ingegneri di Berkeley hanno fatto un passo avanti con la polvere neurale costruendo il volume più piccolo, stimolatore nervoso wireless più efficiente fino ad oggi.

Il dispositivo, chiamato StimDust, abbreviazione di stimolazione della polvere neurale, aggiunge un'elettronica più sofisticata alla polvere neurale senza sacrificare le dimensioni ridotte o la sicurezza della tecnologia, ampliando notevolmente la gamma di applicazioni della polvere neurale. L'obiettivo dei ricercatori è quello di impiantare StimDust nel corpo attraverso procedure minimamente invasive per monitorare e curare la malattia in tempo reale, approccio specifico per il paziente. StimDust ha un volume di soli 6,5 millimetri cubi ed è alimentato in modalità wireless tramite ultrasuoni, che il dispositivo utilizza quindi per alimentare la stimolazione nervosa con un'efficienza dell'82%.

"StimDust è il più piccolo stimolatore dei tessuti profondi di cui siamo consapevoli, in grado di stimolare quasi tutti i principali bersagli terapeutici nel sistema nervoso periferico, "ha detto Rikky Muller, co-responsabile del lavoro e assistente professore di ingegneria elettrica e informatica a Berkeley. "Questo dispositivo rappresenta la nostra visione di avere piccoli dispositivi che possono essere impiantati in modi minimamente invasivi per modulare o stimolare il sistema nervoso periferico, che ha dimostrato di essere efficace nel trattamento di una serie di malattie".

La ricerca sarà presentata il 10 aprile alla IEEE Custom Integrated Circuits Conference di San Diego. Il team di ricerca è stato co-guidato da uno degli inventori della polvere neurale, Michel Maharbiz, professore di ingegneria elettrica e informatica a Berkeley.

La creazione di polvere neurale a Berkeley, guidato da Maharbiz e Jose Carmena, un professore di ingegneria elettrica e informatica a Berkeley e membro dell'Helen Wills Neuroscience Institute, ha aperto le porte alla comunicazione wireless con il cervello e il sistema nervoso periferico attraverso minuscoli dispositivi impiantabili all'interno del corpo che sono alimentati da ultrasuoni. I team di ingegneri di tutto il mondo stanno ora utilizzando la piattaforma della polvere neurale per creare dispositivi che possono essere caricati in modalità wireless tramite ultrasuoni.

Maharbiz ha avuto l'idea di utilizzare gli ultrasuoni per alimentare e comunicare con impianti molto piccoli. Insieme ai professori di Berkeley Elad Alon e Jan Rabaey, il gruppo ha quindi sviluppato il quadro tecnico per dimostrare il potere di ridimensionamento degli ultrasuoni per i dispositivi impiantabili.

I primi lavori di ingegneria di D.J. Seo, un dottorato di ricerca a Berkeley studente che è stato co-consigliato da Alon e Maharbiz, seguito da validazioni sperimentali di Ryan Neely, un altro Berkeley Ph.D. alunno, consigliato da Carmena, gettare le basi della visione della polvere neurale. Negli anni successivi all'invenzione della polvere neurale, gli ultrasuoni hanno dimostrato di essere tra le tecnologie più promettenti per l'alimentazione e la comunicazione di dispositivi impiantabili.

Muller è arrivato a Berkeley nel 2016 ed è stato un fattore chiave nell'innovazione della polvere neurale. Il suo gruppo di ricerca è specializzato in interfacce elettroniche bidirezionali con il corpo umano, in particolare nel cervello e nel sistema nervoso periferico. Il suo team ha lavorato sui modi per utilizzare il potere che può essere trasmesso alla polvere neurale. In StimDust, il suo laboratorio ha preso la piattaforma della polvere neurale e ha costruito uno stimolatore più efficace che può avvolgere un bracciale nervoso e può anche registrare, trasmettere e ricevere dati. Lo hanno fatto progettando un circuito integrato personalizzato per trasferire la carica ultrasonica al nervo in modo ben controllato, modo sicuro ed efficiente.

StimDust è circa un ordine di grandezza più piccolo di qualsiasi dispositivo attivo con capacità simili di cui il team di ricerca è a conoscenza. I componenti di StimDust includono un singolo piezocristallo, che è l'antenna del sistema, un circuito integrato da 1 millimetro e un condensatore di accumulo di carica. StimDust ha elettrodi sul fondo, che entrano in contatto con un nervo attraverso un bracciale che avvolge il nervo. Oltre al dispositivo, Il team di Muller ha progettato un protocollo wireless personalizzato che offre loro un'ampia gamma di programmabilità mantenendo l'efficienza. L'intero dispositivo è alimentato da soli 4 microwatt e ha una massa di 10 milligrammi.

Dopo aver testato StimDust sul banco, il team di ricerca lo ha impiantato in un roditore vivo per testarlo in un ambiente realistico. Attraverso un bracciale attorno al nervo sciatico, il team di ricerca è stato in grado di controllare il movimento delle zampe posteriori, registrare l'attività di stimolazione e misurare quanta forza è stata esercitata sul muscolo della gamba posteriore quando è stato stimolato. I ricercatori hanno quindi gradualmente aumentato la stimolazione e mappato la risposta del muscolo della zampa posteriore in modo da poter sapere esattamente quanta stimolazione era necessaria per il reclutamento muscolare desiderato, una sorta di analisi sofisticata richiesta dai dispositivi medici.

Muller spera che il suo lavoro possa portare ad applicazioni di StimDust per il trattamento di malattie come irregolarità cardiache, dolore cronico, asma o epilessia.

"Una delle grandi visioni del mio gruppo è creare queste interfacce bidirezionali molto efficienti con il sistema nervoso e accoppiarle con l'intelligenza per comprendere davvero i segnali della malattia e quindi essere in grado di trattare la malattia in modo intelligente, modo metodico, " ha detto Muller. C'è un'incredibile opportunità per le applicazioni sanitarie che possono davvero essere trasformative".