腦機(jī)接口（BCI）是新興的輔助設(shè)備，有朝一日可能會(huì)幫助大腦或脊柱受傷的人移動(dòng)或交流。BCI 系統(tǒng)主要依賴植入的傳感器，這些傳感器記錄大腦中的電信號(hào)，并利用這些信號(hào)來驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)或機(jī)器人假肢等外部設(shè)備。

目前，大多數(shù) BCI 系統(tǒng)只是使用 1 個(gè)或 2 個(gè)傳感器對(duì)幾百個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行采樣，但是神經(jīng)科學(xué)家希望能夠從更大的腦細(xì)胞群中收集數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，一支科研小組向未來 BCI 系統(tǒng)的概念邁出了關(guān)鍵一步： 該系統(tǒng)采用獨(dú)立的、無(wú)線的微尺度神經(jīng)傳感器的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器大約有一粒鹽大小，以記錄和刺激大腦活動(dòng)。被稱為“neurograins”的傳感器獨(dú)立地記錄神經(jīng)元發(fā)射的電脈沖，并將信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)送到一個(gè)中央樞紐，由其協(xié)調(diào)和處理這些信號(hào)。

在2021年8月12日發(fā)表在《 自然-電子學(xué) 》上的一項(xiàng)研究中，該研究小組展示了使用近 50 個(gè)這樣的自主神經(jīng)粒來記錄實(shí)驗(yàn)鼠的神經(jīng)活動(dòng)。研究人員說，這些結(jié)果是朝著有朝一日能夠以前所未有的細(xì)節(jié)記錄大腦信號(hào)的系統(tǒng)邁出的一步，從而對(duì)大腦如何工作有了新的認(rèn)識(shí)，并為大腦或脊柱受傷的人提供新的療法。

布朗大學(xué)工程學(xué)院教授、該研究的資深作者 Arto Nurmikko 說：“腦機(jī)接口領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)之一是如何探測(cè)大腦中盡可能多的點(diǎn)。到目前為止，大多數(shù) BCI 都是單一的設(shè)備--有點(diǎn)像小針床。我們團(tuán)隊(duì)的想法是將這種單體分解成微小的傳感器，可以分布在整個(gè)大腦皮層。這就是我們?cè)谶@里所能證明的”。

該團(tuán)隊(duì)包括來自布朗大學(xué)、貝勒大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校和高通公司的專家，大約四年前開始了開發(fā)該系統(tǒng)的工作。隸屬于布朗大學(xué)卡尼腦科學(xué)研究所的 Nurmikko 說，挑戰(zhàn)是雙重的。第一部分需要將參與檢測(cè)、放大和傳輸神經(jīng)信號(hào)的復(fù)雜電子裝置縮小到微小的硅神經(jīng)粒芯片中。該團(tuán)隊(duì)首先在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)和模擬電子器件，并經(jīng)過幾次制造迭代來開發(fā)可操作的芯片。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是開發(fā)接收這些微小芯片信號(hào)的體外通信樞紐。該裝置是一個(gè)薄薄的貼片，大約有拇指印大小，附著在頭骨外的頭皮上。它的工作方式就像一個(gè)微型蜂窩電話塔，采用一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來協(xié)調(diào)來自神經(jīng)腦的信號(hào)，每個(gè)神經(jīng)腦都有自己的網(wǎng)絡(luò)地址。該貼片還以無(wú)線方式向神經(jīng)元供電，這些神經(jīng)元被設(shè)計(jì)為使用最少的電力來運(yùn)作。

布朗大學(xué)的博士后研究員、該研究的主要作者 Jihun Lee 說：“這項(xiàng)工作是一個(gè)真正的多學(xué)科挑戰(zhàn)。我們必須匯集電磁學(xué)、射頻通信、電路設(shè)計(jì)、制造和神經(jīng)科學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)和操作神經(jīng)腦系統(tǒng)”。

該小組還測(cè)試了這些設(shè)備刺激大腦以及從大腦中進(jìn)行記錄的能力。刺激是通過能夠激活神經(jīng)活動(dòng)的微小電脈沖進(jìn)行的。研究人員希望，這種刺激是由協(xié)調(diào)神經(jīng)記錄的同一樞紐驅(qū)動(dòng)的，有朝一日可以恢復(fù)因疾病或受傷而喪失的大腦功能。

動(dòng)物大腦的大小限制了研究小組在這項(xiàng)研究中使用48個(gè)神經(jīng)粒，但數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)目前的配置可以支持多達(dá)770個(gè)。最終，研究小組設(shè)想擴(kuò)大到成千上萬(wàn)的神經(jīng)粒，這將提供一個(gè)目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的大腦活動(dòng)圖。