[圖]腦機接口新突破：科學家研發微型無線協作傳感器

腦機接口（BCI）是新興的輔助設備，有朝一日可能會幫助大腦或脊柱受傷的人移動或交流。BCI 系統主要依賴植入的傳感器，這些傳感器記錄大腦中的電信號，並利用這些信號來驅動計算機或機器人假肢等外部設備。

目前，大多數 BCI 系統只是使用 1 個或 2 個傳感器對幾百個神經元進行採樣，但是神經科學家希望能夠從更大的腦細胞群中收集數據。現在，一支科研小組向未來 BCI 系統的概念邁出了關鍵一步：該系統採用獨立的、無線的微尺度神經傳感器的協調網絡，每個傳感器大約有一粒鹽大小，以記錄和刺激大腦活動。被稱為“neurograins”的傳感器獨立地記錄神經元發射的電脈衝，並將信號以無線方式發送到一個中央樞紐，由其協調和處理這些信號。

在2021年8月12日發表在《自然-電子學》上的一項研究中，該研究小組展示了使用近 50 個這樣的自主神經粒來記錄實驗鼠的神經活動。研究人員說，這些結果是朝着有朝一日能夠以前所未有的細節記錄大腦信號的系統邁出的一步，從而對大腦如何工作有了新的認識，並為大腦或脊柱受傷的人提供新的療法。

布朗大學工程學院教授、該研究的資深作者 Arto Nurmikko 說：“腦機接口領域的巨大挑戰之一是如何探測大腦中儘可能多的點。到目前為止，大多數 BCI 都是單一的設備–有點像小針床。我們團隊的想法是將這種單體分解成微小的傳感器，可以分佈在整個大腦皮層。這就是我們在這裡所能證明的”。

該團隊包括來自布朗大學、貝勒大學、加州大學聖地亞哥分校和高通公司的專家，大約四年前開始了開發該系統的工作。隸屬於布朗大學卡尼腦科學研究所的 Nurmikko 說，挑戰是雙重的。第一部分需要將參與檢測、放大和傳輸神經信號的複雜電子裝置縮小到微小的硅神經粒芯片中。該團隊首先在計算機上設計和模擬電子器件，並經過幾次製造迭代來開發可操作的芯片。

第二個挑戰是開發接收這些微小芯片信號的體外通信樞紐。該裝置是一個薄薄的貼片，大約有拇指印大小，附着在頭骨外的頭皮上。它的工作方式就像一個微型蜂窩電話塔，採用一種網絡協議來協調來自神經腦的信號，每個神經腦都有自己的網絡地址。該貼片還以無線方式向神經元供電，這些神經元被設計為使用最少的電力來運作。

布朗大學的博士后研究員、該研究的主要作者 Jihun Lee 說：“這項工作是一個真正的多學科挑戰。我們必須彙集電磁學、射頻通信、電路設計、製造和神經科學方面的專業知識來設計和操作神經腦系統”。

該小組還測試了這些設備刺激大腦以及從大腦中進行記錄的能力。刺激是通過能夠激活神經活動的微小電脈衝進行的。研究人員希望，這種刺激是由協調神經記錄的同一樞紐驅動的，有朝一日可以恢復因疾病或受傷而喪失的大腦功能。

動物大腦的大小限制了研究小組在這項研究中使用48個神經粒，但數據表明，該系統目前的配置可以支持多達770個。最終，研究小組設想擴大到成千上萬的神經粒，這將提供一個目前無法實現的大腦活動圖。