新植入物如何帮助将大脑链接到计算机

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电子人不再是科幻小说。 实际上,脑机接口(BMI)领域已经存在了一段时间。BMI使用通常植入大脑的电极将神经元信息转换为能够控制外部系统(如计算机或机械臂)的命令。 企业家Elon Musk的公司Neuralink旨在 测试他们的BMI系统 在2020的末尾针对人类患者。

从长期来看,BMI设备可能有助于监视和治疗神经系统疾病的症状并控制假肢。 但是它们还可以提供设计人工智能的蓝图,甚至可以实现直接的大脑到大脑的交流。 然而,目前,主要挑战是开发出在植入和手术过程中避免损害脑组织和细胞的BMI。

BMI已经存在了十多年,帮助失去能力的人 控制他们的四肢, 例如。 但是,通常由硅制成的传统植入物比实际的大脑组织要硬几个数量级,这导致 不稳定的录音和损坏 到周围的脑组织。

它们也可能导致 免疫反应 大脑拒绝植入物。 这是因为我们的人脑就像一个守卫的堡垒,而神经免疫系统(就像这个封闭的堡垒中的士兵一样)将保护神经元(脑细胞)免受病原体或BMI等入侵者的侵害。


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柔性设备

为了避免损害和免疫反应,研究人员越来越关注于所谓的“柔性BMI”的开发。 它们比硅植入物软得多,并且类似于实际的脑组织。

新植入物如何帮助将大脑链接到计算机 一个成千上万个柔性电极的晶片,每个电极都比头发小得多。 史蒂夫·尤尔维森/ Flickr, 创用CC BY-SA

例如,Neuralink首次设计 灵活的“线程”和插入器 –细小的螺纹状探针,比以前的植入物更加灵活–将人脑直接连接到计算机。 这些设计旨在最大程度地减少脑部手术后插入后大脑的免疫反应排斥电极的机会。

同时,来自 利伯集团 哈佛大学的研究人员最近设计了一种微型网状探针,看起来非常像真实的神经元,大脑无法识别冒名顶替者。 这些 受生物启发的电子产品 由铂电极和超细金线组成,金线被聚合物包裹,其大小和柔韧性类似于神经元细胞体和神经神经纤维。

对啮齿动物的研究表明 神经元样探针 插入大脑后不会引起免疫反应。 他们能够监视神经元的功能和迁移。

进入细胞

如今使用的大多数BMI都会拾取泄漏到神经元外部的脑电信号。 如果我们将神经信号想像成在房间内产生的声音,那么当前的录制方式就是在房间外听声音。 不幸的是,信号壁的神经元膜的过滤作用大大降低了信号强度。

为了获得最准确的功能读数,以便更好地控制例如人造肢体,电子记录设备需要直接进入神经元内部。 用于细胞内记录的最广泛使用的常规方法是“膜片钳电极”:一个装有电解质溶液的中空玻璃管​​和与隔离细胞的膜接触的记录电极。 但是一个微米级的尖端会对细胞造成不可逆转的损害。 而且,一次只能记录几个单元。

为了解决这些问题,我们最近开发了一种 类似于发夹的3D纳米线晶体管阵列 并用来读取多个神经元的细胞内电活动。 重要的是,我们能够做到这一点而没有任何可识别的细胞损伤。 我们的纳米线极细且柔韧,易于弯曲成发夹状-晶体管仅约15x15x50纳米。 如果神经元等于房间的大小,那么这些晶体管的大小将相当于门锁的大小。

这些超小型,灵活的纳米线探针涂有可模仿细胞膜感觉的物质,可以毫不费力地穿过细胞膜。 他们可以记录细胞内震颤,其精确度与最大竞争对手:膜片钳电极相同。

显然,这些进步是朝着准确和安全的BMI迈出的重要一步,如果我们要完成复杂的任务(如人与人之间的交流),这将是必不可少的。

这听起来可能有点吓人,但最终,如果我们的医学专家要继续更好地了解我们的身体并帮助我们治疗疾病并延长寿命,那么重要的是,我们继续努力突破现代科学的界限,以尽最大可能做工作的工具。 为了做到这一点,人与机器之间的微创交集是不可避免的。谈话

关于作者

赵云龙,储能与生物电子学讲师, 萨里大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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