工程师们为未来神经操作假肢的发展指明了方向

新南威尔士大学电气工程和电信学院的François Ladouceur教授说，多学科团队刚刚在实验室里展示了他们在大流行前不久在理论上证明的东西:使用液晶和集成光学技术制造的传感器——被称为“光电极”——可以记录活体动物体内的神经冲动。

拉杜瑟教授说，这些光极板不仅表现得和传统电极一样好(传统电极使用电流来检测神经冲动)，而且它们还解决了“竞争技术无法解决的非常棘手的问题”。

“首先，使用传统电极缩小接口的尺寸是非常困难的，这样数千个电极就可以在一个非常小的区域内连接数千个神经。

“当你缩小数千个电极并将它们更紧密地连接到生物组织时，其中一个问题是它们的单个电阻会增加，这降低了信噪比，因此我们在读取信号时遇到了问题。我们称之为“阻抗失配”。

“另一个问题是我们所说的‘串扰’——当你缩小这些电极并使它们靠得更近时，它们就会开始交谈，或者因为它们的接近而相互影响。”

但是由于光电极板使用光而不是电来检测神经信号，阻抗不匹配的问题是多余的，串扰最小化。

Ladouceur教授说:“我们方法的真正优势在于，我们可以使这种连接在光学领域非常密集，而且我们不需要付出在电领域必须付出的代价。”

体内实验

在最近发表于神经工程杂志拉杜塞尔教授和新南威尔士大学的研究人员希望证明，他们可以使用光极来精确测量神经脉冲在活体动物神经纤维中的传播。

科学家奈杰尔·洛弗尔教授是生物医学工程研究生院的院长，也是泰瑞基金会健康工程研究所的主任，他是研究团队的一员，试图在实验室中证明这一点。

他说，研究小组将光极连接到麻醉动物的坐骨神经上。然后用小电流刺激神经，用光极板记录神经信号。然后他们用传统电极和生物放大器做了同样的事情。

洛弗尔教授说:“我们证明了神经反应本质上是相同的。”“光学系统仍然有更多的噪音，但这并不奇怪，因为这是一项全新的技术，我们可以继续努力。但最终，我们可以通过电或光学测量来识别相同的特征。”

义肢的新曙光

到目前为止，该团队已经能够证明，神经冲动(相对较弱，以微伏测量)可以通过光极技术记录下来。下一步将是扩大光极的数量，使其能够处理复杂的神经和兴奋组织网络。

拉杜塞尔教授说，在项目开始时，他的同事们问自己，一个男人或女人需要多少个神经连接才能熟练地操作一只手?

“你可以拿起一个物体，你可以判断摩擦力，你可以施加合适的压力来握住它，你可以精确地从A点移动到B点，你可以快或慢——所有这些事情，我们在执行这些动作时甚至都没有考虑到。答案不是那么明显，我们不得不在文献中搜索了很多，但我们相信大约有5000到10000个连接。”

换句话说，在你的大脑和手之间，有一束神经从你的皮层向下延伸，最终分裂成5000到10000条神经，控制你手的微妙操作。

如果一个具有数千个光学连接的芯片可以连接到你的大脑，或者在神经束分离之前连接到手臂的某个地方，那么假手就有可能具有与生物假手相同的功能。

不管怎么说，这只是一个梦想，拉杜克尔教授说，在它成为现实之前，可能还需要几十年的进一步研究。这将包括发展双向光极极的能力。它们不仅能在传递到身体的过程中接收和解释来自大脑的信号，还能以神经脉冲的形式接收反馈，并返回大脑。

长远的游戏:脑机接口

神经修复术并不是光极技术有可能重新定义的唯一领域。长期以来，人类一直幻想着将技术和机械整合到人体中，以修复或增强人体功能。

其中一些现在已经成为现实，比如人工耳蜗植入、起搏器和心脏除颤器，更不用说智能手表和其他提供持续生物反馈的跟踪设备了。

但生物医学工程和神经科学领域更雄心勃勃的目标之一是脑机接口，旨在将大脑不仅与身体的其他部分连接起来，还可能与世界连接起来。

洛弗尔教授说:“神经接口领域是一个令人难以置信的激动人心的领域，将是未来十年激烈研究和发展的主题。”

虽然现在这更像是虚构而不是事实，但许多生物技术公司都非常认真地对待这一问题。企业家埃隆·马斯克是Neuralink的联合创始人之一，该公司旨在创造脑机接口，有可能帮助瘫痪患者，并将人工智能融入我们的大脑活动。

Neuralink的方法在其设备中使用传统的电线电极，因此如果他们要开发出在大脑和植入设备之间拥有数千(如果不是数百万)个连接的设备，就必须克服阻抗不匹配和串扰等许多挑战。最近据报道，马斯克对这项技术开发的缓慢速度感到沮丧．

拉杜塞尔教授说，时间将证明Neuralink及其竞争对手能否成功消除这些障碍。然而，考虑到可植入的、捕捉神经活动的体内设备目前被限制在大约100个电极上，还有很长的路要走。

“我并不是说这是不可能的，但如果你坚持使用标准电极，它就会变得非常有问题，”Ladouceur教授说。

“我们在光学领域没有这些问题。在我们的设备中，如果有神经活动，它的存在就会影响液晶的方向，我们可以通过照射液晶来检测和量化液晶。这意味着我们不像电线电极那样从生物组织中提取电流。因此，生物传感可以更有效地完成。”

现在，研究人员已经证明了光极方法在体内也能起作用，他们将很快发表一项研究，表明光极技术是双向的——它不仅可以读取神经信号，还可以写入神经信号。