比鹽粒更小的神經(jīng)植入物可無線追蹤大腦活動(dòng)長(zhǎng)達(dá)一年

一款激光驅(qū)動(dòng)的、尺寸僅如鹽粒的大腦植入物，可能改變科學(xué)家長(zhǎng)期研究神經(jīng)活動(dòng)的方式。

康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種神經(jīng)植入物，其體積小到可以在一粒鹽上保持平衡，但功能強(qiáng)大到能夠在活體動(dòng)物體內(nèi)無線記錄大腦活動(dòng)超過一年。

該設(shè)備名為"微尺度光電無線電極"，代表了在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、微創(chuàng)神經(jīng)監(jiān)測(cè)和生物集成傳感方面邁出的重要一步。

該項(xiàng)目由康奈爾大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的Ilda and Charles Lee講席教授Alyosha Molnar，以及南洋理工大學(xué)助理教授Sunwoo Lee共同領(lǐng)導(dǎo)。Sunwoo Lee在Molnar實(shí)驗(yàn)室工作期間便開始了這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。

該植入物長(zhǎng)約300微米，寬約70微米。

MOTE由無害的紅色和紅外激光束提供能量，這些激光束能夠穿透腦組織。它通過微小的紅外光脈沖將大腦的電信號(hào)編碼并傳輸回來。

一個(gè)由砷化鋁鎵制成的半導(dǎo)體二極管負(fù)責(zé)捕獲光能為電路供電，并通過發(fā)射光來發(fā)送數(shù)據(jù)。
它還包括一個(gè)低噪聲放大器和光學(xué)編碼器，這些部件采用與日常微芯片相同的半導(dǎo)體技術(shù)制造。

"據(jù)我們所知，這是目前最小的、能夠測(cè)量大腦電活動(dòng)并進(jìn)行無線報(bào)告的神經(jīng)植入物，" Molnar說。

"通過使用脈沖位置調(diào)制進(jìn)行編碼 —— 例如，這也是衛(wèi)星光通信中使用的編碼 —— 我們可以用非常非常低的功耗進(jìn)行通信，并仍然能成功地將數(shù)據(jù)通過光學(xué)方式傳輸出來。"

在小鼠身上的長(zhǎng)期測(cè)試

研究人員首先在細(xì)胞培養(yǎng)物中測(cè)試了MOTE，然后將其植入小鼠的桶狀皮層 —— 這是大腦中處理來自胡須的感覺信息的部分。

在為期一年的測(cè)試過程中，該植入物持續(xù)記錄了劇烈的神經(jīng)元尖峰活動(dòng)和更廣泛的突觸活動(dòng)，而小鼠在此期間保持健康和活躍。

Molnar表示，團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)一個(gè)能避免刺激腦組織的系統(tǒng)。

"進(jìn)行這項(xiàng)研究的動(dòng)機(jī)之一，是傳統(tǒng)的電極和光纖會(huì)刺激大腦，"他說。"組織會(huì)在植入物周圍移動(dòng)，并可能引發(fā)免疫反應(yīng)。我們的目標(biāo)是讓設(shè)備足夠小，以最大限度地減少這種干擾，同時(shí)仍能比成像系統(tǒng)更快地捕捉大腦活動(dòng)，并且無需為了成像而對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行基因改造。"

為神經(jīng)科學(xué)開啟新的可能性

MOTE的半導(dǎo)體構(gòu)成使得研究人員甚至可以在核磁共振掃描期間收集大腦活動(dòng)數(shù)據(jù)，這是現(xiàn)有植入物無法實(shí)現(xiàn)的。

該技術(shù)也可能適用于脊髓，或集成到人工顱骨板中進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

Molnar最初在2001年構(gòu)思出這個(gè)想法，但大約在十年前，當(dāng)他開始與"康奈爾神經(jīng)科技"項(xiàng)目的成員合作時(shí)，開發(fā)工作才得以加速推進(jìn)。該項(xiàng)目是文理學(xué)院與康奈爾工程學(xué)院聯(lián)合開展的。

這項(xiàng)研究已發(fā)表在《自然·電子學(xué)》期刊上。

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