被称为神经颗粒的微小芯片能够感知大脑中的电活动，并无线传输这些数据。功劳:李继勋/布朗大学脑机接口(BCIs)是新兴的辅助设备，有朝一日可能会帮助大脑或脊柱受伤的人移动或交流。BCI系统依赖于植入式传感器，这些传感器记录大脑中的电信号，并利用这些信号驱动外部设备，如计算机或机器人假肢。目前的BCI系统使用一两个传感器对多达几百个神经元进行采样，但神经科学家对能够从更大的脑细胞群中收集数据的系统感兴趣。
现在，一组研究人员朝着未来BCI系统的新概念迈出了关键一步——该系统采用独立的无线微型神经传感器的协调网络来记录和刺激大脑活动，每个传感器大约有一粒盐的大小。这些被称为“神经颗粒”的传感器独立记录神经元放电产生的电脉冲，并将信号无线发送到协调和处理信号的中央中枢。
在8月12日发表在《自然电子》杂志上的一项研究中，研究小组展示了使用近50个这样的自主神经颗粒来记录啮齿动物的神经活动。
研究人员说，这些结果是朝着有朝一日能够以前所未有的细节记录大脑信号的系统迈出的一步，这将导致对大脑如何工作的新见解，以及对脑损伤或脊髓损伤患者的新疗法。
“脑机接口领域的一大挑战是探索大脑中尽可能多的点的工程方法，”布朗大学工程学院教授、该研究的资深作者Arto Nurmikko说。“到目前为止，大多数脑机接口都是单片设备——有点像小针床。我们团队的想法是将整块石头分解成微小的传感器，这些传感器可以分布在大脑皮层。这就是我们能够在这里展示的。”
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大学的专家，大约在四年前开始开发该系统。布朗大学卡尼脑科学研究所的努尔米科说，挑战是双重的。第一部分需要将探测、放大和传输神经信号的复杂电子器件缩小到微小的硅神经颗粒芯片中。该团队首先在计算机上设计和模拟电子设备，并经历了几次制造迭代来开发可操作芯片。
第二个挑战是开发从这些微小芯片接收信号的体外通信中枢。这个装置是一个很薄的贴片，大约有拇指印那么大，贴在头骨外面的头皮上。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。该贴片还通过无线方式向神经颗粒供电，这些神经颗粒被设计成使用最少量的电能进行工作。
“这项工作是一个真正的多学科挑战，”布朗大学博士后研究员、该研究的主要作者李继勋说。“我们必须汇集电磁学、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——在这种情况下，是啮齿动物的大脑。研究小组在动物的大脑皮层(大脑的外层)放置了48个神经颗粒，并成功记录了与自发大脑活动相关的特征性神经信号。
该团队还测试了这些设备刺激大脑以及记录大脑信息的能力。刺激是用能激活神经活动的微小电脉冲来完成的。研究人员希望，这种刺激是由协调神经记录的同一中枢驱动的，有朝一日可能会恢复因疾病或受伤而丧失的大脑功能。
动物大脑的大小限制了研究小组进行这项研究的48个神经颗粒，但数据表明，该系统目前的配置可以支持多达770个。最终，该团队设想扩大到成千上万个神经颗粒，这将提供目前无法获得的大脑活动图像。
贝勒大学电气与计算机工程系副教授文森特·梁(Vincent Leung)表示:“这是一项具有挑战性的工作，因为该系统要求以每秒百万比特的速度同时进行无线电力传输和联网，而且这必须在极其紧张的硅面积和电力限制下完成。"我们的团队推动了分布式神经移植的发展."
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，这项研究代表了朝着这个方向迈出的关键一步。
努尔米科说:“我们的希望是，我们最终能够开发出一个系统，为大脑提供新的科学见解，并提供新的疗法，帮助受到毁灭性伤害的人。
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