主流醫學在人體內使用電子元件的現象越來越普遍，各種植入元件被植入體內，用于測量人體內部狀況并向神經和肌肉發送模擬的電震動刺激。但是，要將人體轉換成為合適的“半機械人”，需要大量能分布于人體各處的微型設備。為實現這一目標，一個生物工程師團隊已成功打造出了塵埃大小的無線電極，可直接貼附于神經之上，也許在未來的某天，也可“寄居”在人類的大腦里。

該工程師團隊來自加州大學伯克利分校，他們將一顆被稱為“神經灰塵”的顆粒移植到一只被麻醉的大鼠體內，成功證明該植入電極可記錄該大鼠坐骨神經所發出的信號并可通過無線方式傳輸這些信息。本次研究工作在加州大學伯克利分校神經工程和假體中心予以具體實施。喬斯卡門納（Jose Carmena）是該中心的聯執主任，也是本次研究工作的聯合領導人員，他表示：“本次試驗是概念認證試驗。”如果神經灰塵可用于人體和大腦之中，那么醫生將會與人類神經系統產生全新且更為密切的“互動關系”。

但首先，神經灰塵要能在失去知覺的大鼠體內發揮作用。

在為神經灰塵提供動力時，動物體外的換能器將發出超聲波震動，并通過皮膚和組織進行傳遞。當聲波到達植入的微粒時，微粒的壓電晶體會將震動的機械能轉化為電能，從而向按壓在神經之上的尺寸極小的晶體管提供動力支持。隨著神經中的自然電活動不斷發生變化，晶體管中的電流也隨之發生變化，從而為神經信號提供了一個讀出機制。

神經灰塵系統同樣會使用超聲波將上述神經信號信息傳出體外。外部換能器會發出為微粒供能的超聲波震動以及接收部分返回震動的回音，發出和接收交替進行。由于通過晶體管的電流發生變化，故壓電晶體的機械阻抗亦發生變化，繼而對換能器所收到的返回信號數量產生影響。

為確保該系統對人類可用，卡門納及其同事目前正著力解決4項極為突出的技術挑戰。

挑戰1

在大鼠清醒且不斷亂動的狀態下，

確保大鼠體內的神經灰塵系統正常工作。

使用超聲波為顆粒供電擁有一大優勢，那就是可實現系統的無線化。其他神經記錄系統通常使用大型電池或笨拙不雅且須穿透皮膚的電線。但無線化也存在一個弊端。外部換能器必須與植入灰塵顆粒保持高度一致，只有這樣，超聲波震動才能準確觸達壓電晶體。當被試大鼠處于無意識狀態時，保持上述一致較為簡單，但如果大鼠處于清醒狀態且四處亂動，那么問題就變得較為棘手了。

因此，本次研究工作的聯合領導人米歇爾馬哈比斯（Michel Maharbiz，就職于伯克利分校電子工程系）曾研發嚙齒動物可穿戴的換能器。他提出將一個內含換能器設備的小背包放置于植入顆粒的上部，從而實現可靠的一致性要求。

盡管如此，部分專家還是表示，一致性問題將導致神經灰塵系統無法在人類患者中得到實際應用。達斯汀泰勒（Dustin Tyler）是位于美國克利夫蘭的凱斯西儲大學的生物醫學工程教授，致力于研究包裹神經的卡膚電極，他表示：“極為復雜的外部組件將削弱簡單無線植入物的優勢。每天穿脫那些需要進行調整從而實現高度一致性的（超聲）換能器設備陣列，會使人感到心煩意亂，且會導致病人無法使用或無法正常使用這種設備。”

挑戰2

在單個動物體內使用多個微粒。

在概念認證試驗中，研究人員不僅對大鼠神經信號進行了記錄，也對大鼠肌肉的電信號進行了記錄。馬哈比斯表示：“通過在多處肌肉和神經上使用微粒，神經灰塵可提供相當于內部傳感器網絡的功能。深層組織溫度傳感器對于器官功能的監測強度和效率是目前已有技術所無法匹敵的。”

要想對來自多個微粒的信號提供動力支持并進行記錄，研究人員需要研發新的技巧和方法，并需確定更優的信號處理流程。研究人員可使用大量的超聲波換能器，實現對動物全身的射束掃描，從而依次觸達所有顆粒。工程師也正編寫全新的信號處理算法，以便正確識別來自多個信號源的回聲信息。卡門納對此十分樂觀，他強調：“蝙蝠也使用相似的回聲定位方法，從而在存在眾多動物的山洞內進行導航、飛行。如果蝙蝠可以做到這一點，那么我們應該也可做到。”

挑戰3

除了記錄功能外，

神經灰塵還應該能刺激神經。

盡管記錄神經和肌肉產生的信號能夠提供關于人體的詳細信息，但是，身處“電子醫學”這一熱門新領域的研究人員，更傾向于使用電脈沖對神經進行刺激從而改變身體的運轉狀況。例如，電子醫學公司正在開發對頸部迷走神經進行刺激的醫療設備，可改善類風濕性關節炎的發炎癥狀，并可減輕偏頭疼的疼痛程度。

但是，當前的神經灰塵顆粒仍是一款功率較低的設備，其功率只有0.12毫瓦。費恩斯坦醫學研究所（Feinstein Institute）位于紐約州的曼哈塞特，該機構的生物電子醫學中心主任查德布頓（Chad Bouton）表示：“具備刺激功能的顆粒需要更大的功率支持。他們的思路十分正確，但要成功開發刺激功能，他們或許還需進行更多工作。”布頓的實驗室已開發出另一種神經環帶，并配有大量緊密排布的電極，提供強勁的刺激沖擊，但是，該設備目前仍需使用穿透皮膚的線路。

挑戰4

需縮小顆粒尺寸，

以便能夠安全放置于人腦之中。

“神經灰塵”這一名稱頗具理想性：研究人員目前使用的顆粒，其體積約為2.4立方毫米，遠遠大于常見的灰塵顆粒體積。如果研究人員想在人腦中安全分布神經灰塵，那么他們必須研制出體積更小的顆粒。

研究人員表示，他們的顆粒樣品使用的是市場上流通的普通電路板。他們認為，通過開發定制化電路板，他們可以將顆粒的體積縮小到1立方毫米，約為樣品中壓電晶體的尺寸。同時，他們已經在為更具“野心”的目標而努力：研發體積僅為50立方微米的顆粒。如可獲得該等體積的顆粒，那么即可將顆粒放置于人類大腦更深層次的褶皺區域，我們也可以一窺人類腦海中那些未知的神秘角落。