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。

 

由电子工程助理教授迪昂·霍达赫利(Dion Khodagholy)领导的哥伦比亚大学工程团队提出了一种改进此类设备的新方法，大有希望。基于他们早期开发更小、更高效的生物电子晶体管和材料的工作，研究人员精心设计了他们的设备，以创建高性能的可植入电路，使阅读和操作大脑电路成为可能。他们的多路然后放大(MTA)系统只需要一个多路复用器，而目前的方法需要相同数量的放大器作为通道数量。

 

MTA大鼠简化示意图

 

大鼠MTA整体放置和位置的简化示意图。资料来源:赵子芳和克劳迪娅·Cea/哥伦比亚工程公司

 

生物和神经电子设计领域的领导者Khodagholy说:“能够实时检测和干预治疗与大脑疾病相关的症状，天富登录测速如癫痫发作，是至关重要的。”“我们的系统不仅比目前的设备更小、更灵活，而且还能在多个独立通道上同时刺激任意波形，因此它更灵活。

 

这项研究由美国国家科学院院刊(PNAS)于今天(2021年5月10日)发表，Khodagholy与哥伦比亚大学欧文医学中心神经内科和基因组医学研究所的Jennifer N. Gelinas合作进行。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。资料来源:赵子芳和克劳迪娅·Cea/哥伦比亚工程公司

 

Khodagholy从与像Gelinas这样的神经学家的合作中了解到，需要一个一体化的、完全可植入的系统来记录、处理和刺激大脑活动——这样的系统将使研究人员能够设计个性化的治疗。为了记录大脑活动，他需要多通道放大器，但可用的选项太大，难以操作。当团队继续使他们的电极更有效，使用导电聚合物降低阻抗时，天富登录测速他们突然想知道，如果他们利用电极改进的电路设计，把多路复用器放在放大器前面，而不是在放大器后面，会发生什么。

 

带着这个新想法，该团队建造了MTA装置，然后通过开发一个完全可植入的、响应性强的嵌入式系统来确认其功能，该系统可以使用符合要求的导电聚合物基电极实时获取单个神经动作电位。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——所有这些都在一个小型化(大约四分之一大小)的物理占用空间内完成。

 

该研究的第一作者、电气工程系博士后赵子芳表示:“关键的挑战是在复用操作过程中创建一个电荷引流路径，以消除任何不必要的电荷积累。”

 

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。