斯坦福设备为大脑研究和假肢带来了硅计算能力

斯坦福大学(Stanford University)的研究人员开发了一种新设备,可以将大脑直接与基于硅的技术连接起来。虽然脑机接口设备已经存在,并被用于假肢、疾病治疗和大脑研究,但与现有设备相比,这种最新的设备可以记录更多的数据,而且干扰更小。

Abdulmalik Obaid and Nick Melosh

Abdulmalik Obaid(左边)和Nick Melosh带着他们的微波阵列。这束微型电线可以让研究人员实时观察大脑中数百个神经元的活动。(图片来源:Andrew Brodhead)

斯坦福大学材料科学与工程研究生Abdulmalik Obaid说:“在此之前,还没有人将这些二维硅电子器件与大脑的三维结构相匹配。”“我们不得不抛弃我们已知的传统芯片制造技术,设计新的工艺,将硅电子技术带入第三维度。我们必须以一种容易扩大规模的方式来做这件事。”

3月20日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文的主题就是这种装置,它包含一束微型导线,每根导线的宽度还不到最薄的人类头发的一半。这些细电线可以轻轻插入大脑,并在外部直接连接到一个硅芯片上,记录通过每根电线的脑电信号——就像制作神经电活动的电影。该设备目前的版本包括数百个微型电线,但未来的版本可能包含数千个。

“电活动是观察大脑活动的最高分辨率方法之一,”斯坦福大学材料科学与工程教授、该论文的联合高级作者尼克·迈洛什(Nick Melosh)说。“有了这个微波阵列,我们可以看到在单神经元水平上发生了什么。”

研究人员分别在大鼠和活老鼠的视网膜细胞上测试了他们的脑机接口。在这两种情况下,他们都成功地通过阵列的数百个通道获得了有意义的信号。正在进行的研究将进一步确定该设备能在大脑中停留多久,以及这些信号能揭示什么。研究小组特别感兴趣的是这些信号能告诉他们什么是学习。研究人员还致力于假肢的应用,尤其是语音辅助。

值得等待的

研究人员知道,为了实现他们的目标,他们必须创造一个不仅持久,而且能够与大脑建立紧密联系,同时造成最小伤害的脑机接口。他们专注于连接基于硅的设备,以利用这些技术的进步。

microwire array

微波阵列的特写。这种装置的顶部装有硅芯片,底部的电线轻轻插入大脑,可以帮助研究人员拍摄神经活动的视频。(图片来源:Andrew Brodhead)

“硅芯片是如此强大,有一种难以置信的能力来扩大规模,”Melosh说。“我们的阵列技术非常简单。你可以直接把芯片压在暴露在外的那一端,就能得到信号。”

研究人员解决的一个主要挑战是如何构造数组。它必须坚固耐用,尽管它的主要部件是数百根微型电线。解决办法是用生物安全聚合物把每根金属丝包起来,然后把它们捆在一个金属环里。这保证了电线的间距和正确的方向。在领子下面,聚合物被移除,这样电线就可以单独地进入大脑。

现有的脑机接口设备被限制在大约100根电线上,提供100个信号通道,每根电线都必须用手费力地放在阵列上。研究人员花了数年时间来改进他们的设计和制造技术,使之能够创建一个有数千个频道的阵列——他们的努力部分得到了吴仔神经科学研究所Big Ideas基金的支持。

“该装置的设计完全不同于任何现有的高密度记录设备,在制造过程中,阵列的形状、大小和密度可以简单地改变。这意味着我们可以同时记录大脑不同深度的不同区域,几乎可以用任何3D方式。”“如果广泛应用,这项技术将大大超出我们对健康和疾病状态下大脑功能的理解。”

在花了多年时间来追求这个雄心勃勃但又不失优雅的想法之后,直到这个过程的最后,他们才有了一个可以在活体组织中测试的设备。

“我们必须用几公里长的微线来生产大规模的阵列,然后直接把它们连接到硅芯片上,”奥贝德说,他是这篇论文的联合第一作者。“在多年的设计工作之后,我们第一次在视网膜上测试了它,它立刻就起作用了。这让人非常安心。”

在视网膜和小鼠身上进行了初步测试之后,研究人员现在正在进行更长期的动物研究,以检查阵列的持久性和大规模版本的性能。他们还在探索他们的设备可以报告什么样的数据。迄今为止的结果表明,他们可能能够观察学习和失败,因为它们正在大脑中发生。研究人员很乐观地认为,将来有一天,这种芯片能够用于改善人类的医疗技术,比如机械修复术和帮助恢复语言和视力的设备。

其他斯坦福大学的合著者包括米娜-埃拉赫布·汉娜(共同领导),她曾是迈洛什实验室的博士生;吴玉伟(联合领导),前丁实验室博士后,现任中央研究院分子生物学研究所;Nora Brackbill, Chichilnisky实验室的研究生;还有e·j·奇契尔尼斯基,约翰·r·阿德勒神经外科教授,眼科学教授。其他合著者包括弗朗西斯克里克研究所(共同领导)、伦敦大学学院(共同领导)、天堂制药公司(共同领导)和苏黎世联邦理工学院。

奇契尔尼斯基是斯坦福大学生物x和吴仔神经科学研究所的成员。丁是斯坦福Bio-X的一员,该公司是一家妇产医院。儿童健康研究所(MCHRI)和乌仔神经科学研究所。Melosh是斯坦福大学Bio-X和吴仔神经科学研究所的成员;Precourt能源研究所的附属机构;斯坦福大学化学系h。

这项研究得到了美国国家卫生研究院、美国国防部高级研究计划局、吴仔神经科学研究所、弗朗西斯·克里克研究所、惠康基金会、人类前沿科学项目和医学研究委员会的支持。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2020/03/20/bringing-silicon-computing-power-brain/

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