新的神经电子系统可以读取和操纵脑信号

脑能

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;这种新设计在癫痫动物模型中测试成功,可以改善神经精神疾病的治疗。

随着研究人员对大脑的了解越来越多,人们已经清楚,反应性神经刺激在探测神经回路功能和治疗神经精神疾病(如癫痫和帕金森氏病)方面越来越有效。但是,目前设计一种能够进行此类干预的完全可植入和生物兼容设备的方法存在重大限制:它们的分辨率不够高,而且大多数需要大而笨重的组件,这使得植入困难,并存在并发症的风险。

由电气工程助理教授的迪亚·卡达塔基领导的哥伦比亚工程团队已经提出了一种新的方法,这对改进此类设备具有巨大的承诺。研究人员在较早的工作中建立较早的工作,以开发更小,更高效的可兼容性生物电子晶体管和材料,以创建高性能可植入电路,使允许读取和操纵脑电路。它们的多重放大(MTA)系统仅需要每个多路复用器的一个放大器,与需要相同数量的放大器的电流方法相反。

MTA大鼠简化示意图

在大鼠中简化了MTA的整体放置和位置的示意图。信誉:Zifang Zhao和Claudia Cea / Columbia Engineering

“能够检测和干预以治疗脑障碍相关的症状至关重要,例如癫痫发作,实时”生物和神经电导设计的领导者,“Khodagholy说。“不仅是我们的系统比当前设备更小且更灵活,而且它还可以同时刺激多个独立通道上的任意波形,因此它更加多样化。

khodagholy今天发表的研究(5月10日,2021年)国家科学院的诉讼程序(PNAS), Jennifer N. Gelinas,神经内科和基因组医学研究所哥伦比亚大学欧文医疗中心。Gelinas是一名神经科学家和儿科癫痫专家,他的研究重点是了解癫痫中神经网络如何异常,并设计方法来纠正这种功能障碍。

为了记录、检测和定位癫痫发作,科学家必须用高时间分辨率记录多个位置的大脑活动。这就需要一个高采样率的多通道采集和刺激装置和电路。传统电路在使用多路复用技术将这些信号组合成数据流之前,需要与信道数量相等的放大电路。这使得电路的大小随通道的数量线性增加。

微型制造电极阵列

微型制备的导电聚合物基电极阵列的显微图。信誉:Zifang Zhao和Claudia Cea / Columbia Engineering

Khodagholy知道Gelinas等神经科学家,可以很有需要一个可以记录,过程和刺激大脑活动的一体化,完全植入的系统 - 这种系统将使研究人员设计个性化疗法。为了记录大脑活动,他需要多声道放大器,但可用的选项太大而笨重。由于该团队继续使其电极更有效,通过使用导电聚合物降低阻抗,如果他们利用它们在电路设计中的电极改进并将多路复用器放置在前面,而不是之后,可以突然想知道会发生什么,而不是在放大器中放置多路复用器。

通过这个新的想法,团队建立了MTA设备,然后通过开发一种可以在实时采集的嵌入式嵌入式系统来确认其功能,该系统可以使用适按基于基于电极的基于基于聚合物的电极获取 - 单独的神经动作电位。它可以通过低延迟任意波形刺激和本地数据存储来实现这一点 - 全部在小型化(大约季度大小)物理占用范围内。

“关键挑战是在复用操作期间创造电荷排水路径,以消除任何不需要的电荷累积,”电气工程系的博士生和第一个作者的第一个作者Zifang Zhao表示。

MTA装置是由哥伦比亚纳米计划(Columbia nano initiative)制造的,它使该团队能够开发出一种新的闭环协议,实时抑制癫痫网络中海马和皮质之间的病理耦合。这种方法可以帮助解决癫痫经常伴随的记忆问题。

Gelinas说:“这些设备将使定向的高时空分辨率反应性神经刺激方法应用于各种大脑功能,极大地拓宽我们长期修改神经网络和治疗神经精神疾病的能力。”

该团队现在正在将其系统与各种实验平台集成,其目的是提高神经网络功能和认知技能。

参考:10月10日,国家科学院的诉讼程序
DOI: 10.1073 / pnas.2022659118

资金:国家科学基金会渴望,国家科学基金会职业生涯,治愈哥伦比亚工程学院

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