科学家开发新的神经电子系统 可以读取和“操纵”大脑信号

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据外媒报道,哥伦比亚大学团队设计了高性能的可植入系统,可以“操纵”大脑信号并抑制病理耦合;新设计在癫痫动物模型中成功测试,表明这或许可以改善神经精神疾病的治疗。

  据外媒报道,哥伦比亚大学团队设计了高性能的可植入系统,可以“操纵”大脑信号并抑制病理耦合;新设计在癫痫动物模型中成功测试,表明这或许可以改善神经精神疾病的治疗。随着研究人员对大脑有了更多的了解,很明显,响应式神经刺激在探测神经回路功能和治疗神经精神疾病(如癫痫和帕金森病)方面正变得越来越有效。

但是,目前设计一种能够进行这种干预的完全可植入和生物兼容的设备的方法有很大的局限性:它们的分辨率不够高,而且大多数需要大型、笨重的部件,使植入变得困难,有并发症的风险。

由电子工程助理教授Dion Khodagholy领导的哥伦比亚工程团队提出了一种新方法,显示出改进此类设备的巨大前景。在他们早期开发更小、更有效的顺应性生物电子晶体管和材料的工作基础上,研究人员协调他们的设备,创造出高性能的植入式电路,允许读取和操纵大脑电路。他们的多路复用-放大(MTA)系统只需要每个复用器一个放大器,而目前的方法则需要与通道数量相等的放大器。

生物和神经电子学设计的领导者Khodagholy说:“能够实时检测和干预治疗与大脑失调有关的症状,如癫痫发作,是至关重要的。我们的系统不仅比目前的设备小得多,而且更灵活,它还能在多个独立通道上同时刺激任意波形,所以它的用途更广。”

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Khodagholy与哥伦比亚大学欧文医学中心神经学系和基因组医学研究所的Jennifer N. Gelinas合作进行了这项研究,该研究于5月10日发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。Gelinas是一位神经科学家和小儿癫痫专家,她的研究重点是了解神经网络在癫痫中如何变得不正常,并设计方法来纠正这种功能障碍。

为了记录、检测和定位癫痫放电,科学家必须以高时间分辨率记录多个地点的大脑活动。这需要一个高采样率的多通道采集和刺激设备和电路。传统的电路需要与通道数量相等的放大电路,然后才能利用多路复用将这些信号组合成数据流。这使电路的尺寸随着通道数量的增加而线性增加。

Khodagholy从与Gelinas等神经学家的合作中了解到,非常需要一个能够记录、处理和刺激大脑活动的一体化、完全可植入的系统--这样的系统将使研究人员能够设计个性化的疗法。为了记录大脑活动,他需要多通道放大器,但现有的选择太大,不方便。当研究小组继续使他们的电极更加有效,通过使用导电聚合物降低阻抗时,他们突然想,如果他们在电路设计中利用电极的改进,将多路复用器放在放大器前面,而不是后面,会发生什么。

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带着这个新想法,研究小组建造了MTA设备,然后通过开发一个完全可植入的、反应灵敏的嵌入式系统来证实其功能,该系统可以使用可适应的导电聚合物电极实时获取单个神经动作电位。它可以通过低延迟的任意波形刺激和本地数据存储来实现这一目标--所有这些都是在一个小型化(大约四分之一大小)的物理足迹内完成的。

电气工程系博士后、该研究的第一作者赵子芳说:“关键的挑战是在多路复用操作期间创建一个电荷排放路径,以消除任何不必要的电荷积累。”

在哥伦比亚大学纳米研究所制造的MTA设备,使该团队能够开发出一种新颖的闭环协议,在癫痫网络中实时抑制海马体和大脑皮层之间的病理耦合。这种类型的方法可以帮助解决经常伴随癫痫的记忆问题。

Gelinas说:“这些设备将允许把有针对性的高时空分辨率响应性神经刺激方法应用于各种大脑功能,大大拓宽了我们长期修改神经网络和治疗神经精神疾病的能力。”该团队现在正在将他们的系统与各种实验平台整合,目的是改善神经网络功能和认知技能。

 

 

责任编辑:张燕妮 来源: cnBeta.COM
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