用光探测神经信号，照亮神经义肢新未来

新南威尔士大学悉尼分校（UNSW Sydney）的生物医学和电子工程师开发了一种新的方法来测量神经活动。该方法用光信号取代电信号，可能会重新定义神经义肢和脑机接口等医疗技术。

新南威尔士大学电子工程与通信学院的弗朗索瓦•拉杜塞尔（François Ladouceur）教授表示，该跨学科团队近来在实验室中证实了一个于疫情前不久提出的理论。该理论表示，用液晶和集成光学技术建造的传感器（名为“光极”）可以记录活体动物体内的神经冲动。

这些光极的性能不仅和那些用电流来探测神经冲动的传统电极一样好，还解决了拉杜塞尔教授所说的“其他竞争技术尚无法解决的棘手问题”。

- Mehau Kulyk -

“首先，使用传统电极很难通过缩小接口的尺寸来让上千个电极在极小的区域内连向上千个神经元。”当我们缩小数千个电极，并把它们放得越来越近来连接生物组织时，其中一个问题是，这会增加单个电极的电阻，从而降低信噪比，使得读取信号变得麻烦。我们称之为“阻抗失配”。

“问题之二是我们所说的‘串扰’。当你缩小这些电极并把它们互相靠近时，它们就会因为距离变近而开始相互干扰。”

但由于光极用来探测神经信号的是光信号而不是电信号，这种阻抗失配和串扰的问题就迎刃而解了。

拉杜塞尔教授说：“我们的方法真正的优势在于，使用光学方法，我们可以把连接变得十分密集，却不用像在使用电学方法时一样为此付出代价。”

- JASON SOLO -

活体（in vivo）试验

在最近发布于Journal of Neural Engineering的研究中，拉杜塞尔教授和新南威尔士大学的其他研究人员希望证明，当神经冲动沿着活体动物的神经纤维传播时，他们能够用光极来准确地测量神经冲动。

DOI：https://doi.org/10.1088/1741-2552/ac8ed6论文题目：Liquid crystal electro-optical transducers for electrophysiology sensing applications

他们的研究小组试图在实验室中证明这一点。生物医学工程学院的负责人、泰瑞基金会健康工程研究所（Tyree Foundation Institute of Health Engineering）所长、杰出教授奈杰尔•罗弗尔（Nigel Lovell）也参与了这项研究。

他表示，他们的团队在将实验动物麻醉后，把光极连到其坐骨神经上，再用微小的电流刺激神经，并用光极来记录神经信号。然后他们使用传统电极和生物学用放大器（bioamplifier）重复了该实验。

罗弗尔教授说：“我们证明了两组实验的神经反应几乎相同。光极中仍然存在较多的噪音，但鉴于这是全新的技术，我们并不吃惊，而且我们会努力解决这个问题。但最重要的是，我们能够通过电信号和光信号的测量数据识别出同一特征。”

- Davide Bonazzi -

义肢技术的新黎明

迄今为止，该团队已经能够证明相对微弱（微伏水平）的神经冲动可以通过光极技术来测量。下一步将会是扩大光极的数量，以便处理复杂的神经网络和可兴奋组织（excitable tissue）。

拉杜塞尔教授表示，他的同事在项目刚开始时自问道，普通人如果想灵活地操纵一只手需要多少神经连接呢？

“你能拾起一个物体、判断它的摩擦力、施加恰到好处的压力去握住它、把它精确地从A移动到B、移动时或快或慢。完成所有这些动作时我们都不曾多想。以上问题的答案并非显而易见，所以我们在文献中苦苦查询。我们最终认为大约有五千到一万个神经连接参与其中。”

- Gachuhi Brian -

换句话说，在你的大脑和手之间有一束神经，它从你的大脑皮层向下行进，最终分成五千到一万条神经来控制手部的精细操作。

如果一个包含数千个光学连接的芯片可以连到你的大脑，或者在神经束分枝前连接到手臂中的某个位置，那么手部义肢就可能具有和真正的手旗鼓相当的功能。

拉杜塞尔教授表示，无论如何，这是我们的梦想，在实现它之前可能还需要进行几十年的进一步研究。这将包括光极双向性的开发：我们希望光极不仅可以接收和解读从大脑传向身体的信号，还可以接收以神经冲动的形式从身体传回大脑的反馈。

脑机接口是一场“持久战”

神经义肢并不是唯一一个能被光极技术重新定义的领域。长期以来，人类都幻想着将技术和机器融入人体来修复或增强原有功能。

其中一些现已成为现实，比如人工耳蜗、起搏器和心率除颤器，更不用说智能手表和其他提供持续生物反馈的跟踪设备。

但在生物医学工程和神经科学领域，我们更具雄心的目标之一是开发出不仅能将大脑与身体其他部分连接、甚至还能连接到整个世界的脑机接口。

罗弗尔教授说：“神经接口是一个极其令人兴奋的领域，它在未来十年将成为被广泛研究和开发的对象。”

- themoondidnotexplode.wordpress.com -

虽然比起现实，这个目标听起来更像科幻，但是有许多生物技术公司对此极其认真。企业家伊隆•马斯克（Elon Musk）是Neuralink的联合创始人之一，该公司旨在建造能帮助瘫痪患者的脑机接口，并将人工智能融入到我们的脑活动中。

Neuralink的方法是在设备里运用传统的有线电极，因此，他们如果想开发出能承载大脑和植入设备间成千上万个连接的设备，则必须克服“阻抗失配”和“串扰”等诸多挑战。最近有报道称，马斯克对这项技术的缓慢进展感到沮丧。

拉杜塞尔教授表示，时间自然会证明Neuralink及其竞争者们能否成功跨过这些障碍。然而，考虑到目前能在体内捕获神经活动的植入式设备仅限于约一百个电极，这将是条漫漫长路。

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拉杜塞尔教授说：“我并不是说这不可能，但是如果你坚持使用传统电极，事情会变得非常困难。”

“我们在光学领域没有这些问题。在我们的设备中，当神经活动出现时，液晶的转向受到影响，由此我们可以通过光照来探测和量化神经活动。这意味着我们不需要像有线电极那样从生物组织中提取电流。因此，我们可以更加高效地完成生物传感。”

研究人员现已证明光极可以用于生物体内，下一步则是在短期内发表研究成果来表明光极的双向性。也就是说，光极不仅可以读取、还可以写入神经信号。

原文

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/10/221026103143.htm

本文来自微信公众号 “神经现实”（ID：neureality），作者：新南威尔士大学 ，译者：Lemon，校对：殷尚墨羽，编辑：M.W. ，36氪经授权发布。