被稱為神經(jīng)顆粒的微小芯片能夠感知大腦中的電活動，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。圖片來源：Jihun Lee/布朗大學(xué)

　　腦機(jī)接口（BCI）是一種新興的輔助設(shè)備，或許有一天能幫助大腦或脊髓損傷的人移動和交流。BCI系統(tǒng)依賴于可植入傳感器，這些傳感器記錄大腦中的電信號，并利用這些信號驅(qū)動計(jì)算機(jī)或機(jī)器人假肢等外部設(shè)備。

　　最新的BCI系統(tǒng)可使用一兩個傳感器模擬幾百個神經(jīng)元，但神經(jīng)科學(xué)家感興趣的是系統(tǒng)能夠從更大的大腦細(xì)胞組收集數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)在，一個研究團(tuán)隊(duì)朝著未來BCI系統(tǒng)的新概念邁出了關(guān)鍵一步。該系統(tǒng)使用獨(dú)立的無線微型神經(jīng)傳感器組成的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)來記錄和刺激大腦活動，每個傳感器大約只有一粒鹽大小。這些被稱為“神經(jīng)顆?！钡膫鞲衅鳘?dú)立記錄由神經(jīng)元觸發(fā)產(chǎn)生的電脈沖，并將信號無線發(fā)送到協(xié)調(diào)和處理信號的中樞。

　　在8月12日發(fā)表于《自然—電子》的一項(xiàng)研究中，研究小組使用近50個這種自主神經(jīng)顆粒來記錄小鼠的神經(jīng)活動。作者說，這一結(jié)果朝著開發(fā)以前所未有的細(xì)節(jié)記錄大腦信號的系統(tǒng)邁出了重要一步。這將為大腦工作原理帶來新見解，并為大腦或脊髓損傷患者提供新的治療方法。

　　“BCI領(lǐng)域的一個重大挑戰(zhàn)是用工程方法探測大腦中盡可能多的點(diǎn)。”該研究主要作者、美國布朗大學(xué)工程學(xué)院教授Arto Nurmikko說，“到目前為止，大多數(shù)BCI是單片設(shè)備，有點(diǎn)像小的針床。我們團(tuán)隊(duì)的想法是把這個龐然大物分解成微小的傳感器，分布在大腦皮層?！?/p>

　　該團(tuán)隊(duì)在大約4年前開始開發(fā)這一系統(tǒng)。Nurmikko說，挑戰(zhàn)是雙重的。第一個挑戰(zhàn)是要縮小用于檢測、放大和將神經(jīng)信號傳輸?shù)轿⑿」枭窠?jīng)顆粒芯片中的復(fù)雜電子設(shè)備。該團(tuán)隊(duì)首先在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)和模擬電子元件，并通過多次制造迭代來開發(fā)可操作芯片。

　　第二個挑戰(zhàn)是開發(fā)能接收微小芯片信號的體外通信中心。該裝置是一個拇指紋大小的薄貼片，連接在顱骨外的頭皮上。其工作原理就像一個微型的手機(jī)信號塔，使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)調(diào)來自神經(jīng)顆粒的信號，每個神經(jīng)顆粒都有自己的網(wǎng)絡(luò)地址。這種貼片還可以向神經(jīng)顆粒無線供電，這些神經(jīng)顆?？墒褂米钌俚碾娏磉\(yùn)行。

　　“這項(xiàng)工作是一項(xiàng)真正的多學(xué)科挑戰(zhàn)?！痹撗芯康谝蛔髡?、布朗大學(xué)博士后Jihun Lee說，“我們必須結(jié)合電磁學(xué)、射頻通信、電路設(shè)計(jì)、制造和神經(jīng)科學(xué)方面的專業(yè)知識來設(shè)計(jì)和操作神經(jīng)顆粒系統(tǒng)?！?/p>

　　新研究的目標(biāo)是證明該系統(tǒng)可以記錄來自活體大腦的神經(jīng)信號——在這個例子中，是嚙齒動物的大腦。研究小組將48個神經(jīng)顆粒放置在動物的大腦皮層上，成功記錄了與自發(fā)大腦活動相關(guān)的特征神經(jīng)信號。

　　該團(tuán)隊(duì)還測試了這些設(shè)備刺激大腦和記錄大腦的能力，通過微小的電脈沖來激活神經(jīng)活動。研究人員希望，這種刺激由協(xié)調(diào)神經(jīng)記錄的中樞驅(qū)動，有朝一日可能恢復(fù)因疾病或損傷而喪失的大腦功能。

　　由于動物大腦腦容量的限制，此次研究僅使用了48個神經(jīng)顆粒，但數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)目前的配置可以支持770個。該團(tuán)隊(duì)設(shè)想最終將其擴(kuò)大到數(shù)千個神經(jīng)顆粒，這將提供目前無法獲得的大腦活動圖像。

　　“這是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，因?yàn)檫@個系統(tǒng)需要同步無線電力傳輸和每秒百萬比特的網(wǎng)絡(luò)速率，它需要在非常緊湊的硅表面和能量約束下才能實(shí)現(xiàn)?！闭撐墓餐髡?、貝勒大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系副教授Vincent Leung說，“我們的團(tuán)隊(duì)推動了分布式神經(jīng)植入的極限?！?/p>

　　要使這個完整的系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，還有很多工作要做。研究人員表示，這項(xiàng)研究是朝著這個方向邁出的關(guān)鍵一步?！拔覀兿Ｍ罱K能開發(fā)出一種系統(tǒng)，提出新的腦科學(xué)見解，并提供新的治療方法，幫助那些遭受嚴(yán)重創(chuàng)傷的人?！盢urmikko說。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41928-021-00631-8