新型脑机接口实现无线通信

根据 2020 年 2 月发布的一项研究报告表示，BCI 行业是一个新兴市场，预计收入将达到 37亿美元，并在2020-2027年间以 15.5% 的年复合增长率增长。在这份报告中显示，2019 年 BCI 的最大市场份额是北美，占比为 39.7%。

推动预测需求的因素包括神经退行性疾病和障碍的增加，以及老年人口的增加。根据阿尔茨海默病国际组织 (ADI) 的全球预测，到2050年，将有1.15亿人患有痴呆症。

在一项由布朗大学等多所高校及公司的联合项目中，研究人员表示：“在这项研究中，我们报告了无线联网和供电的电子微芯片，它们可以自主执行神经传感和电微刺激。”

该项目的研究成果于8月12日发表在《Nature Electronics》上，研究人员创造了一种脑机接口(BCI)，它使用由一种被称为“神经颗粒”的微芯片组成的无线网络进行神经记录和刺激，并展示了使用近50个这种自主神经颗粒来记录啮齿动物的神经活动。

目前的多通道电生理神经传感器和刺激器都是微电极阵列，是一种刚性的单片器件。在电极放置方面，目前的BCI是不灵活的，而且想要增加节点的数量时，具有一定的困难。

研究人员表示:“这种微芯片，我们称之为神经颗粒，与外部电信集线器有~ 1GHz的电磁经皮连接，可在单个设备级别提供双向通信和控制。”

Tiny chips called neurograins are able to sense electrical activity in the brain and transmit that data wirelessly. Credit: Jihun Lee

研究人员表示，这项研究是迈向下一代脑机接口系统的重要一步，该系统是朝着未来某一天能够以前所未有的细节记录大脑信号的系统，这将为探索大脑工作原理带来新的思路，并为大脑或脊髓损伤患者提供新的治疗方法。

布朗大学研究人员Arto Nurmikko表示:“脑机接口领域的一个重大挑战是用设计方法探测大脑中尽可能多的点。”“到目前为止，大多数BCI都是整体设备——有点像小针床。我们团队的想法是把这个庞然大物分解成微小的传感器，分布在大脑皮层。这就是我们在这里能够证明的。”

该系统大约在四年前开始开发。研究人员Nurmikko 说，挑战是双重的。第一部分需要缩小涉及检测、放大神经信号并将其传输到微型硅神经颗粒芯片中的复杂电子设备。该团队首先在计算机上设计和模拟电子元件，并经过多次制造迭代来开发可操作的芯片。

Neurograin ASIC 的电路框图

第二个挑战是开发能接收微小芯片信号的体外通信中心。该装置是一个拇指指纹大小的薄贴片，连接在颅骨外的头皮上。它的工作原理就像一个微型手机信号塔，使用网络协议来协调来自神经颗粒的信号，每个神经颗粒都有自己的网络地址。该贴片还以无线方式为神经颗粒供电，这些神经颗粒被设计成使用最少的电力来运行。

ASK-PWM 方案和网络协议

布朗大学的博士后研究员Jihun Lee表示“这项工作是一个真正的多学科挑战，我们必须汇集电磁学、射频通信、电路设计、制造和神经科学方面的专业知识，以设计和操作神经颗粒系统。”

这项新研究的目标是证明该系统可以记录来自活体大脑的神经信号——在本例中，是啮齿动物的大脑。研究小组将48个神经颗粒放置在动物的大脑皮层(大脑的外层)上，成功地记录了与自发大脑活动相关的特征神经信号。

该团队还测试了这些设备刺激大脑和记录大脑的能力。刺激是通过微小的电脉冲来激活神经活动。研究人员希望，这种刺激由协调神经记录的中枢驱动，有朝一日可能恢复因疾病或损伤而丧失的大脑功能。

下图展示了神经颗粒记录与商业设备和生理盐水中多通道神经颗粒记录相比，神经颗粒记录从同心电极捕获局域40Hz正弦信号。

下图进一步详细描述了3线圈无线功率传输系统的设计和测量。

48 个神经颗粒的链路配置在 3.3 秒内检测到 1,697 个数据包。此外，研究人员证明了这48个神经颗粒可以单独放在啮齿动物的皮质表面，以记录神经活动的概念验证。据科学家们称，他们的系统具有高度的可扩展性，可以增加多达 16 倍的神经颗粒。

这种微型化芯片除了具有无线网络的独特能力外，还具有与其他微植入物相媲美的记录和刺激能力。

研究人员表示：“理论计算和实验测量表明，使用定制的时分多址协议，链路配置有可能扩展到 770 神经颗粒。”

最终，该团队设想扩大到数千个神经颗粒，这将提供一个目前无法实现的大脑活动图片。

助理研究员 Vincent Leung 表示，“这是一项具有挑战性的工作，因为该系统需要以每秒兆位的速率同时进行无线电力传输和联网，而这必须在极其严格的硅面积和功率限制下完成。”

要使这个完整的系统成为现实，还有很多工作要做，但研究人员表示，这项研究是朝着这个方向迈出的关键一步。

参考

Lee, J., Leung, V., Lee, AH. et al. Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants. Nat Electron (2021).

https://doi.org/10.1038/s41928-021-00631-8

https://www.brown.edu/news/2021-08-12/neurograins

https://www.psychologytoday.com/ca/blog/the-future-brain/202109/new-brain-computer-interface-enables-wireless-communication