下一代脑-机接口系统
最新的BCI系统使用一个或两个传感器样品到几百神经元,但神经科学家感兴趣的系统能够收集数据从更大的大脑细胞组。
现在，一组研究人员已经朝着未来BCI系统的新概念迈出了关键的一步——该系统采用独立的无线微型神经传感器组成的协调网络，每个传感器大约只有一粒盐的大�。醇锹己痛碳ご竽曰疃�。这些被称为“神经颗粒”的传感器独立地记录由神经元触发产生的电脉冲，并将信号无线发送到协调和处理信号的中心中枢。
在8月12日发表在《自然电子》(Nature Electronics)杂志上的一项研究中，研究小组展示了使用近50个这种自主神经颗粒来记录啮齿动物的神经活动。
研究人员说，这一结果是朝着某一天能够以前所未有的细节记录大脑信号的系统迈出的一步，这将为大脑工作原理带来新的见解，并为大脑或脊髓损伤患者提供新的治疗方法。
布朗大学工程学院教授、该研究的主要作者阿尔托·努尔米科(Arto Nurmikko)说:“脑机接口领域的一个重大挑战是用工程方法探测大脑中尽可能多的点。到目前为止，大多数BCI都是单片设备——有点像小针床。我们团队的想法是把这个庞然大物分解成微小的传感器，分布在大脑皮层。这就是我们在这里能够证明的。”
该团队包括来自布朗大学、贝勒大学、加州大学圣地亚哥分校和高通公司的专家，大约四年前开始开发该系统。努尔米科隶属于布朗大学卡尼脑科学研究所(Brown's Carney Institute for Brain Science)，他说，挑战是双重的。第一部分需要缩小用于检测、放大和将神经信号传输到微小的硅神经颗粒芯片中的复杂电子设备。该团队首先在计算机上设计和模拟电子元件，并通过多次制造迭代来开发可操作芯片。
第二个挑战是开发能接收微小芯片信号的体外通信中心。该装置是一个拇指指纹大小的薄贴片，连接在颅骨外的头皮上。它的工作原理就像一个微型手机信号塔，使用网络协议来协调来自神经颗粒的信号，每个神经颗粒都有自己的网络地址。这种贴片还可以向神经颗粒无线供电，这些神经颗粒被设计成使用最少的电力来运行。
“这项工作是一项真正的多学科挑战，”布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者Jihun Lee说。“我们必须结合电磁学、射频通信、电路设计、制造和神经科学方面的专业知识来设计和操作神经颗粒系统。”
这项新研究的目标是证明该系统可以记录来自活体大脑的神经信号——在本例中，是啮齿动物的大脑。研究小组将48个神经颗粒放置在动物的大脑皮层(大脑的外层)上，成功地记录了与自发大脑活动相关的特征神经信号。
该团队还测试了这些设备刺激大脑和记录大脑的能力。刺激是通过微小的电脉冲来激活神经活动。研究人员希望，这种刺激由协调神经记录的中枢驱动，有朝一日可能恢复因疾病或损伤而丧失的大脑功能。
动物大脑的大小限制了研究小组在这项研究中的48个神经颗粒，但数据表明，该系统目前的配置可以支持770个。最终，该团队设想将其扩大到数千个神经颗粒，这将提供目前无法获得的大脑活动图像。
贝勒电子与计算机工程系副教授Vincent Leung说：“这是一项具有挑战性的工作，因为该系统要求以每秒兆比特的速率同时进行无线功率传输和联网，而这必须在极为紧张的硅面积和功率限制下完成。我们的团队推动了分布式神经植入的发展。”
要使这个完整的系统成为现实，还有很多工作要做，但研究人员表示，这项研究是朝着这个方向迈出的关键一步。
努尔米科说:“我们希望最终能开发出一种系统，为大脑提供新的科学见解，并提供新的治疗方法，帮助那些受严重创伤影响的人。”
Jihun Lee, Vincent Leung, Ah-Hyoung Lee, Jiannan Huang, peter Asbeck, patrick p. Mercier, Stephen Shellhammer, Lawrence Larson, Farah Laiwalla, Arto Nurmikko. Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants. Nature Electronics, 2021; DOI: 10.1038/s41928-021-00631-8
