Microwire阵列将硅计算能力带入大脑研究和假肢研究

微线阵列的特写。该设备的顶部装有硅芯片，底部的导线轻轻地插入了大脑，可以帮助研究人员拍摄神经活动电影。

一种新的设备使研究人员可以实时观察大脑中的数百个神经元。该系统基于相机的改良硅芯片，但不拍摄照片，而是拍摄神经电活动的电影。

斯坦福大学的研究人员开发了一种新的设备，用于将大脑直接连接到基于硅的技术。虽然脑机接口设备已经存在，并已用于假肢，疾病治疗和大脑研究，但这种最新设备可以记录更多数据，而干扰性却不如现有选件。

斯坦福大学材料科学与工程专业的研究生Abdulmalik Obaid说：“以前没有人采用这些2D硅电子产品并将其与大脑的三维结构相匹配。”“我们必须抛弃对传统芯片制造已经了解的知识，并设计出新工艺，以将硅电子产品带入三维。而且我们必须以易于扩展的方式来做到这一点。”

该设备是3月20日在《科学进展》上发表的论文的主题，它包含一束微丝，每根丝的宽度都小于最细的人类头发的宽度的一半。这些细电线可以轻轻地插入大脑，并在外部直接连接到硅芯片，该芯片记录通过每条电线传递的脑电信号，就像制作神经电活动电影一样。该设备的当前版本包括数百条微线，但将来的版本可能包含数千条。

Abdulmalik Obaid（左）和Nick Melosh的微线阵列。这种微线束可以使研究人员实时观察大脑中数百个神经元的活动。

斯坦福大学材料科学与工程学教授，该论文的共同资深作者尼克·梅洛什（Nick Melosh）说：“电活动是观察脑活动的最高分辨率的方法之一。”“借助这种微线阵列，我们可以看到单神经元水平上发生的事情。”

研究人员在大鼠和活体小鼠的大脑中分离出的视网膜细胞上测试了它们的脑机界面。在这两种情况下，他们都成功地在整个阵列的数百个通道中获得了有意义的信号。正在进行的研究将进一步确定该设备可以在大脑中保留多长时间以及这些信号可以揭示什么。团队对信号可以告诉他们有关学习的东西特别感兴趣。研究人员还致力于假肢的应用，尤其是语音辅助。

值得等待

研究人员知道，为了实现他们的目标，他们必须创建一个不仅持久而且还能够与大脑建立紧密连接并同时造成最小损害的脑机接口。他们专注于连接到基于硅的设备，以便利用这些技术的进步。

“硅芯片是如此强大，并且具有令人难以置信的扩展能力，” Melosh说。“我们的阵列非常简单地与该技术结合在一起。实际上，您只需拿起芯片，将其按在捆绑包的裸露一端即可获得信号。”

研究人员解决的一个主要挑战是弄清楚如何构建阵列。即使它的主要组件是数百根细微的电线，它也必须坚固耐用。解决方案是将每根导线包裹在生物安全的聚合物中，然后将其捆扎在金属套环中。这样可以确保导线间隔开并正确定向。在颈圈下方，聚合物被去除，因此导线可以被偶尔地引导到大脑中。

微线阵列的特写。该设备的顶部装有硅芯片，底部的导线轻轻地插入了大脑，可以帮助研究人员拍摄神经活动电影。

现有的脑机接口设备仅限于提供100个信号通道的约100根电线，并且必须手工将每根设备辛苦地放置在阵列中。研究人员花费了数年时间完善他们的设计和制造技术，以创建具有数千个通道的阵列-他们的努力部分得到了吴仔神经科学研究所“大思想”计划的支持。

“该设备的设计与任何现有的高密度记录设备完全不同，并且阵列的形状，大小和密度可以在制造过程中简单地改变。这意味着我们几乎可以用任何3D排列同时记录不同深度的不同大脑区域。”神经外科和神经病学助理教授，该论文的合著者Jun Ding说。“如果广泛应用，这项技术将大大超越我们对健康和疾病状态下脑功能的理解。”

在花费了多年追求这个雄心勃勃却又优雅的想法之后，直到过程的最后，他们才有了可以在活体组织中进行测试的设备。

该论文的主要作者奥拜德说：“我们必须走数千米的微线并生产大规模的阵列，然后将它们直接连接到硅芯片上。”“经过多年的设计工作，我们首次在视网膜上对其进行了测试，并且立即生效。这令人非常放心。”

在对视网膜和小鼠进行最初的测试之后，研究人员现在正在进行长期的动物研究，以检查阵列的耐用性和大型版本的性能。他们还正在探索其设备可以报告的数据类型。到目前为止的结果表明，他们可能能够观察到大脑中正在发生的学习和失败。研究人员对能够在某天使用该阵列改善人类医学技术持乐观态度，例如机械义肢和有助于恢复言语和视觉的设备。

斯坦福大学的其他合著者包括Melosh实验室的前博士研究生Mina-Elraheb Hanna（共同负责人）； Wu Yu-Wei Wu（共同负责人），丁实验室的前博士后研究员，现为中国科学院分子生物学研究所； Chichilnisky实验室的研究生Nora Brackbill；和E.J.奇奇尼斯基（Chichilnisky），约翰·阿德勒（John R. Adler）神经外科教授和眼科学教授。其他合著者来自弗朗西斯·克里克研究所（共同领导），伦敦大学学院（共同领导），Paradiromics Inc.（共同领导）和苏黎世联邦理工学院。

Chichilnisky是斯坦福生物X和吴仔神经科学研究所的成员。丁先生是Stanford Bio-X，母婴健康研究院（MCHRI）和吴仔神经科学研究所的成员。Melosh是Stanford Bio-X和Wu Tsai Neurosciences Institute的成员； Precourt能源研究所的附属机构；以及斯坦福大学ChEM-H的教职员工。

这项研究得到了美国国立卫生研究院，DARPA，吴仔神经科学研究所，弗朗西斯·克里克研究所，惠康基金会，人类前沿科学计划和医学研究理事会的支持。