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)進行無線傳輸。圖片來源：Jihun Lee/布朗大學

　　腦機接口（BCI）是一種新興的輔助設備，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)動計算機或機器人假肢等外部設備。

　　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)科學家感興趣的是系統(tǒng)能夠從更大的大腦細胞組收集數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)在，一個研究團隊朝著未來BCI系統(tǒng)的新概念邁出了關鍵一步。該系統(tǒng)使用獨立的無線微型神經(jīng)傳感器組成的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡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)顆粒”的傳感器獨立記錄由神經(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，這一結果朝著開發(fā)以前所未有的細節(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。”該研究主要作者、美國布朗大學工程學院教授Arto Nurmikko說，“到目前為止，大多數(shù)BCI是單片設備，有點像小的針床。我們團隊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。”

　　該團隊在大約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)顆粒芯片中的復雜電子設備。該團隊首先在計算機上設計和模擬電子元件，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信號塔，使用網(wǎng)絡協(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)顆粒可使用最少的電力來運行。

　　“這項工作是一項真正的多學科挑戰(zhàn)。”該研究第一作者、布朗大學博士后Jihun Lee說，“我們必須結合電磁學、射頻通信、電路設計、制造和神經(jīng)科學方面的專業(yè)知識來設計和操作神經(jīng)顆粒系統(tǒng)。”

　　新研究的目標是證明該系統(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)大腦活動相關的特征神經(jīng)信號。

　　該團隊還測試了這些設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。該團隊設想最終將其擴大到數(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，因為這個系統(tǒng)需要同步無線電力傳輸和每秒百萬比特的網(wǎng)絡速率，它需要在非常緊湊的硅表面和能量約束下才能實現(xiàn)。”論文共同作者、貝勒大學電子和計算機工程系副教授Vincent Leung說，“我們的團隊推動了分布式神經(jīng)植入的極限。”

　　要使這個完整的系統(tǒng)成為現(xiàn)實，還有很多工作要做。研究人員表示，這項研究是朝著這個方向邁出的關鍵一步。“我們希望最終能開發(fā)出一種系統(tǒng)，提出新的腦科學見解，并提供新的治療方法，幫助那些遭受嚴重創(chuàng)傷的人。”Nurmikko說。

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