神经工程师开发一种无线植入大脑传感器

布朗大学研制出一种无线植入式大脑传感器

工程师Arto Nurmikko和Ming Yin正在检查他们的无线宽带神经传感装置原型。作者:弗雷德·菲尔德,布朗大学

在一项最新发表的研究中,布朗大学的神经工程师详细介绍了第一个全植入神经界面微系统的开发,该系统已在大型动物模型中无线操作超过12个月。

美国罗得岛州普罗维登斯市(布朗大学)——布朗大学的一个神经工程师团队开发了一种完全可植入、可充电的无线大脑传感器,能够在自由运动的受试者中传输多达100个神经元的实时宽带信号。这种新型低功率装置的几份拷贝,发表在《神经工程杂志》上这是脑机接口领域的首例。脑-机接口可以帮助严重瘫痪的人控制他们的想法。

布朗大学(Brown University)工程学教授阿尔托·努尔米科(Arto Nurmikko)监督了该设备的发明,本周他将在休斯顿举行的2013年国际临床脑机接口系统研讨会(2013 International Workshop on Clinical Brain-Machine Interface Systems)上展示这款设备。

努尔米科说:“这款手机的一些功能类似于手机,只不过它发出的对话是大脑的无线通话。”

神经科学家可以使用这种设备来观察、记录和分析动物模型大脑特定部位的大量神经元发出的信号。

与此同时,在脑-机接口研究中,人们正在研究使用类似植入传感电极的有线系统,以评估严重瘫痪的人通过思考移动手臂和手来移动机械手臂或电脑游标等辅助设备的可行性。

这个无线系统解决了下一步提供实用的脑机接口的主要需求,”布朗大学神经科学Wriston教授、布朗脑科学研究所主任、神经学家约翰·多诺霍说。

紧密的技术

在该设备中,植入皮质的药丸大小的电极芯片通过独特设计的电子连接发送信号到该设备的激光焊接、密封的钛“罐”。该罐长2.2英寸(56毫米),宽1.65英寸(42毫米),厚0.35英寸(9毫米)。这个小体积容纳了一个完整的信号处理系统:一个锂离子电池,布朗大学设计的用于信号处理和转换的超低功率集成电路,无线无线电和红外发射器,以及一个用于充电的铜线圈——一个“大脑无线电”。所有的无线和充电信号都要通过一个电磁透明的蓝宝石窗口。

总之,这个装置看起来像一个带舷窗的迷你沙丁鱼罐头。

该研究报告的第一作者、现任瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique)博士后研究员大卫·波顿(David Borton)表示,该团队在脑机接口领域取得了重大进展。

“这篇论文所讨论的成就的独特之处在于,它是如何将许多个人创新整合到一个完整的系统中,这个系统有可能带来比各个部分之和更大的神经科学收益,”波顿说。“最重要的是,我们展示了第一个完全植入的神经界面微系统,在大型动物模型中无线运行超过12个月,这是潜在的[人类]临床转化的里程碑。”

该设备通过3.2和3.8 Ghz微波频率,以24mbps的速度向外部接收器传输数据。充电两小时后,通过头皮通过感应无线传输,它可以工作6个多小时。

努尔米科说:“该设备的功率不足100毫瓦,这是一个关键指标。”

合著者、布朗大学博士后学者和电气工程师殷明说,该团队在制造该设备时遇到的主要挑战之一是,考虑到植入设备体积小、功耗低和防泄漏的要求,优化其性能,这可能会持续几十年。

殷说:“我们试图在设备的关键规格之间做出最佳的权衡,比如功耗、噪声性能、无线带宽和操作范围。”“我们遇到的另一个主要挑战是将设备的所有电子设备集成到一个小型化的封装中,以提供长期的密封性(防水)和生物兼容性,以及对无线数据、电源和开关信号的透明度。”

在布朗大学电气工程师威廉·帕特森的早期贡献下,殷帮助设计了将神经信号转换成数字数据的定制芯片。转换必须在设备内部完成,因为大脑信号不是在计算机数据的1和0中产生的。

充分的应用

该团队与神经外科医生密切合作,将该装置植入了三只猪和三只恒河猴。迄今为止,对这6只动物的研究已经帮助科学家更好地观察复杂的神经信号长达16个月。在这篇新论文中,研究小组展示了他们在实验室中能够记录的一些丰富的神经信号。最终,这可能转化为重大进步,也可以为人类神经科学提供信息。

努尔米科说,目前的有线系统限制了研究对象的行动。无线传输的价值在于,它可以让实验对象自由地以他们想要的方式移动,允许他们产生更广泛的更现实的行为。例如,如果神经科学家想要观察在某些奔跑或觅食行为中产生的大脑信号,他们就不能使用电缆传感器来研究神经回路是如何形成那些行动和执行计划或决策制定策略的。

在这篇新论文的实验中,该设备连接到一个由100个皮层电极组成的阵列,即微型的单个神经侦听杆,但新设备的设计允许多个阵列连接,Nurmikko说。这将使科学家能够观察大脑网络多个相关区域的神经元集合。

这种新的无线设备没有被批准用于人体,也没有用于脑机接口的临床试验。然而,它的设计是出于翻译的目的。

布朗脑科学研究所的Nurmikko说:“这是与更大的BrainGate团队一致构想的,包括神经外科医生和神经学家给我们提供建议,以确定最终临床应用的合适策略。”

博尔顿现在正带头发展EPFL和布朗的合作,使用该设备的一个版本来研究运动皮层在帕金森病动物模型中的作用。

与此同时,布朗团队还在继续推进该设备,以实现更大规模的神经数据传输,进一步缩小其尺寸,并改善该设备的安全性和可靠性的其他方面,以便有朝一日可以考虑将其用于运动残疾患者的临床应用。

除了Nurmikko、Borton和Yin,该论文还由机械工程专家Juan Aceros共同撰写。

美国国家卫生研究院/美国国家生物医学成像与生物工程研究所和美国国家神经疾病与中风研究所(批准号:1R01EB007401-01),部分支持来自美国国家科学基金会(批准号:0937848)和美国国防高级研究计划局(合同:N66001-10-C-2010)资助了这项研究。

发表:David A Borton等,“用于记录运动灵长类动物皮层电路动态的可植入无线神经接口”,2013年J. neural Eng. 10026010;1741 - 2560/10/2/026010 doi: 10.1088 /

图片来源:布朗大学的Fred Field

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