Neurostimulátory jsou zařízení, která pomocí elektrických impulsů o určité frekvenci ovlivňují mozkovou aktivitu. V současné době nalézají uplatnění například při léčbě epilepsie, Parkinsonovy choroby, nebo chronických bolestí. Tato klinicky schválená zařízení mívají podobu implantátů napájených bateriemi. Týmu vědců z Riceovy univerzity v Texasu se však nyní podařilo vytvořit neurostimulátor o velikosti zrnka rýže, který na tomto způsobu napájení není závislý.

Základem je spojení vrstev dvou zcela odlišných materiálů: první vrstvu tvoří fólie z magnetostrikčního materiál, obsahujícího železo, bor, křemík a uhlík. U magnetostrikčních materiálů dochází po vložení do magnetického pole ke vzniku vnitřního pnutí, nebo k deformaci. Druhá vrstva potom sestává z piezoelektrického krystalu. Piezoelektrické materiály dovedou převádět mechanické pnutí přímo na elektrické napětí.

Po vložení do magnetického pole dochází v první vrstvě k vibracím na molekulární úrovni. Tyto vibrace se projevují jako akustické vlny, z nichž některé mají správnou frekvenci k tomu, aby materiál přivedly k rezonanci. Tato akustická rezonance magnetostrikčních materiálů je mimo jiné důvodem, proč velké elektrické transformátory vyluzují charakteristický zvuk.

V novém implantátu tyto resonance aktivují vrstvu piezoelektrického materiálu, který pak vytváří elektrické signály o vysokých frekvencích. Tyto frekvence jsou však příliš vysoké na to, aby stimulovaly nervové buňky. Důležitým úkolem tedy bylo tyto signály modulovat na nižší frekvence, schopné ovlivňovat nervové buňky a současně je nepoškodit.

Velkou část práce v tomto směru odvedla studentka Amanda Singer, které se navíc podařilo celý systém miniaturizovat a provést předběžné experimenty in vivo.

Pro účely těchto experimentů byly neurostimulátory implanotvány pod kůži laboratorním hlodavcům. Ti se následně mohli volně pohybovat po svých ubikacích, přičemž se začali přednostně zdržovat v místech, kde magnetické pole prostřednictvím implantátů stimulovalo jejich mozková centra odměn. Tyto experimenty prokázaly funkčnost a využitelnost nově vyvinutích neurostimulátorů.

Další výzkumy naznačují, že by neurostimulace mohla být využitelná k terapii pacientů s depresemi, obsesivně kompulsivními poruchami a také některými chronickými bolestmi, které mnohdy vedou k úzkostem, depresím a závislosti na opiátech.

„Aby se tento druh terapie stal dostupnějším, je zapotřebí vyvinout neurostimulátory bez baterií a drátů, které jsou dostatečně malé na to, aby mohly být implantovány bez většího chirurgického zákroku.“,
říká Jacob Robinson, jeden z autorů studie.

Výsledky výzkumu byly publikovány v odborném časopise Neuron.

Zdroj: sciencedaily.com

Originální publikace: https://www.cell.com/neuron/pdf/S0896-6273(20)30365-2.pdf?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627320303652%3Fshowall%3Dtrue

Zdroj titulní fotografie: pixabay.com, TheDigitalArtist