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... 史丹福大學的研究人員開發了一種將大腦直接連接到矽基技術的新裝置。雖然腦機接口設備已經存在--並且被用於假肢、疾病治療和大腦研究--這個最新的設備可以記錄更多的數據,同時比現有的選項更少的侵擾性。 史丹福大學材料科學與工程學研究生AbdulmalikObaid說:「以前沒有人將這些2D矽電子學與大腦的三維結構相匹配。」「我們不得不拋棄我們對傳統晶片製造的了解,設計新工藝,將矽電子學納入第三維度。我們必須以一種很容易擴大規模的方式來實現這一目標。」 ... 這個裝置是3月20日發表的一篇論文的主題科學進步,包含一束微絲,每根線的寬度不到人類最薄頭髮的一半。這些細線可以輕輕插入大腦,並直接連接到矽片上,晶片記錄腦電信號經過每根線,就像製作神經電活動電影一樣。目前版本的設備包括數百個微電線,但未來版本可能包含數千個。 「電活動是研究大腦活動的最高解析度的方法之一,」史丹福大學材料科學與工程教授尼克·梅洛什說,他是這篇論文的合著者之一。「有了這個微波陣列,我們就可以看到單神經元水平上發生了什麼。」 研究人員在大鼠和活小鼠大腦中分離的視網膜細胞上測試了他們的腦-機接口。在這兩種情況下,他們成功地在陣列的數百個通道中獲得了有意義的信號。正在進行的研究將進一步確定該設備能在大腦中停留多長時間,以及這些信號能揭示什麼。這個團隊特別感興趣的是信號能告訴他們關於學習的信息。研究人員還致力於假肢的應用,特別是語音輔助。 ... 值得等待 研究人員知道,為了達到他們的目的,他們必須創造一個不僅持久的大腦機器介面,而且能夠在造成最小傷害的同時建立起與大腦的緊密聯繫。他們專注於連接到基於矽的設備上,以便利用這些技術的進步。 梅洛什說:「矽晶片是如此強大,並且有著驚人的擴展能力。」「我們的陣列與這項技術非常簡單地結合在一起。你可以直接拿起晶片,把它壓在束的外露端,得到信號。」 研究人員面臨的一個主要挑戰是如何構造陣列。它必須堅固耐用,儘管它的主要部件是數百根細小的電線。解決辦法是用一種生物安全的聚合物包裹每一根電線,然後將它們捆綁在一個金屬衣領內。這確保了電線是分開的,並正確地定位。在衣領下面,聚合物被移除,這樣電線就可以單獨地指向大腦。 現有的腦機接口設備僅限於提供100條信號通道的大約100條線,而且每條線路都必須用手費力地放置在陣列中。研究人員花費了數年的時間來完善他們的設計和製造技術,以創造一個擁有數千個通道的陣列--他們的努力在一定程度上得到了吳仔神經科學研究所「大創意」基金的支持。 「這種裝置的設計與現有的任何高密度記錄設備完全不同,而且陣列的形狀、大小和密度在製作過程中可以簡單地改變。這意味著我們可以同時記錄不同深度的不同大腦區域,幾乎任何3D排列,」神經外科和神經病學助理教授、論文的共同作者丁軍說。「如果廣泛應用,這項技術將大大超過我們對健康和疾病狀態下大腦功能的理解。」 在花了數年的時間追求這個雄心勃勃但又優雅的想法之後,直到這個過程的結束,他們才有了一種能夠在活體組織中進行測試的裝置。 這篇論文的主要作者奧貝德說:「我們必須拿出數公里長的微電線,生產大規模的陣列,然後將它們直接連接到矽片上。」「經過多年的研究,我們第一次在視網膜上測試了它,它馬上就起作用了。這是非常令人放心的。」 ... 在對視網膜和老鼠進行初步測試之後,研究人員現在正在進行更長期的動物研究,以檢查陣列的耐用性和大規模版本的性能。他們還在探索他們的設備可以報告什麼樣的數據。迄今為止的結果表明,他們可能能夠觀察學習和失敗,因為他們正在發生在大腦中。研究人員樂觀地認為,有一天能夠使用這種陣列來改進人類的醫療技術,比如機械修復和幫助恢復語言和視力的設備。 史丹福大學的其他合著者包括梅洛什實驗室前博士生米娜·埃拉赫布·漢納(Mina-Elraheb Hanna);中研院分子生物學研究所(DIN)前博士後吳於偉(合著);奇奇爾尼斯基實驗室研究生諾拉·布拉克比爾(Nora BrackBill);神經外科教授約翰·R·阿德勒(John R.Adler)、眼科教授E.J.奇奇尼斯基(E.J.Chichilnisky)。其他合著者來自弗朗西斯克里克研究所(聯席)、倫敦大學學院(聯席)、Paradromics公司。(共同領導)和蘇黎世ETH。 Chichilnisky是斯坦福生物X和吳仔神經科學研究所的成員。丁是斯坦福生物X、母嬰健康研究所(MCHRI)和吳仔神經科學研究所的成員。Melosh是斯坦福Bio-X和吳仔神經科學研究所的成員,是Precourt能源研究所的附屬機構,也是StanfordChem-H. 這項研究得到了國家衛生研究院、DARPA、吳仔神經科學研究所、弗朗西斯·克里克研究所、威康信託基金、人類前沿科學計劃和醫學研究委員會的支持。

 

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