研究人员正在逐步开发下一代脑机接口系统

脑机接口(bci)是一种新兴的辅助设备，有一天可能会帮助大脑或脊髓损伤的人移动或交流。BCI系统依赖于可植入的传感器，这些传感器记录大脑中的电信号，并使用这些信号驱动计算机或机器人假肢等外部设备。

目前大多数BCI系统使用一个或两个传感器对数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，一组研究人员已经朝着未来BCI系统的新概念迈出了关键一步——该系统采用了一个由独立的无线微型神经传感器组成的协调网络，每个传感器大约一粒盐大小，来记录和刺激大脑活动。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一个中央集线器，该集线器负责协调和处理信号。

8月12日发表的一项研究中电子性质，研究团队展示了使用近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，这一结果是朝着一个系统迈出的一步，该系统有朝一日可能能够以前所未有的细节记录大脑信号，从而对大脑如何工作产生新的见解，并为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、该研究的资深作者阿尔托·努尔米科(Arto Nurmikko)说:“脑机接口领域的一大挑战是，用工程方法尽可能多地探测大脑中的点。”“到目前为止，大多数bci都是单片设备——有点像小针床。我们团队的想法是将这个庞然大物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。布朗大学卡尼脑科学研究所的努尔米科说，这个挑战是双重的。第一部分需要缩小复杂的电子器件，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。该团队首先在计算机上设计和模拟电子设备，然后经过几次制造迭代，开发出可操作的芯片。

第二个挑战是开发接收来自这些微型芯片信号的身体-外部通信中心。该设备是一块薄薄的贴片，约为拇指指纹大小，附着在颅骨外的头皮上。它的工作原理就像一个微型的移动电话塔，利用网络协议来协调来自神经粒的信号，每个神经粒都有自己的网络地址。该贴片还为神经颗粒无线供电，其设计目的是使用最少的电力。

“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(Jihun Lee)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以及记录大脑的能力。刺激是通过微小的电脉冲来激活神经活动。研究人员希望，这种刺激是由协调神经记录的同一中枢驱动的，有朝一日可以恢复因疾病或受伤而失去的大脑功能。

动物大脑的大小限制了研究团队在这项研究中的48个神经颗粒，但数据表明，目前系统的配置可以支持多达770个神经颗粒。最终，该团队设想扩大到数千个神经颗粒，这将提供目前无法实现的大脑活动图像。

贝勒大学电气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百万比特的速度同时进行无线电力传输和网络连接，而这必须在极其紧张的硅面积和功率限制下完成。”“我们的团队突破了分布式神经植入的极限。”

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。

Nurmikko说:“我们希望最终能够开发出一种系统，为大脑提供新的科学见解，并提供新的治疗方法，帮助那些受到毁灭性伤害的人。”

这项研究的其他合著者有Ah-Hyoung Lee(布朗)、Huang Jiannan(加州大学圣地亚哥分校)、Peter Asbeck(加州大学圣地亚哥分校)、Patrick P. Mercier(加州大学圣地亚哥分校)、Stephen Shellhammer(高通公司)、Lawrence Larson(布朗大学)和Farah Laiwalla(布朗大学)。该研究得到了美国国防高级研究计划局(N66001-17-C-4013)的支持。