科学家开发出可以读取和“操纵”大脑信号的新型神经电子系统在癫痫动物模型中的成功测试表明，这可能会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，很明显，反应性神经刺激在探测神经回路功能和治疗癫痫和帕金森病等神经精神疾病方面变得更加有效。然而，目前设计能够进行此类干预的完全可植入和生物相容性设备的方法有很大的局限性：它们的分辨率不够高，而且大多数都需要大而笨重的部件，这使得植入变得困难。变得困难并有并发症的风险。由电气工程助理教授DionKhodagholy领导的哥伦比亚工程团队提出了一种新方法，显示出改进此类设备的巨大希望。在他们早期开发更小、更高效的顺应性生物电子晶体管和材料的工作基础上，研究人员协调他们的设备来创建高性能的植入式电路，使大脑电路能够被读取和操纵。他们的多路复用放大(MTA)系统每个多路复用器只需要一个放大器，而当前的方法需要与通道数相等的放大器。“能够实时检测和干预以治疗与大脑疾病相关的症状，例如癫痫发作，这一点至关重要，”生物和神经电子学设计领域的领导者Khodagholy说。我们的系统不仅比目前的设备小很多，而且更灵活，可以同时在多个独立通道上激发任意波形，因此它的通用性更强。”Khodagholy与JenniferN.合作进行了这项研究，该研究于5月10日发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。Gelinas是一名神经科学家和小儿癫痫专家，其研究重点是了解神经网络如何在癫痫中变得功能失调，并设计方法来纠正这种功能障碍。为了记录、检测和定位癫痫放电，科学家必须以高时间分辨率记录多个位置的大脑活动。这需要高采样率的多通道采集和刺激设备和电路。在使用多路复用将这些信号组合成数据流之前，传统电路需要与通道数相等的放大电路。这允许电路的大小随着通道的数量线性增加。Khodagholy从与Gelinas等神经科学家的合作中了解到，非常需要一种可以记录、处理和刺激大脑活动的一体式、完全植入式系统——这样的系统将使研究人员能够设计个性化疗法。为了记录大脑活动，他需要多通道放大器，但可用的选项太大而不方便。随着研究小组继续通过使用导电聚合物来降低阻抗来提高电极的效率，他们想到，如果他们可以通过将多路复用器放在放大器前面而不是后面来利用电路设计中的电极改进，会发生什么。考虑到这个新想法，该团队构建了MTA设备，然后通过开发一个完全可植入的响应式嵌入式系统来展示其功能，该系统可以使用适应性导电聚合物电极实时获取个体神经活动。潜在的。它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）的物理足迹中。“关键的挑战是在多路复用操作期间创建一个电荷漏极路径，以消除任何不需要的电荷积累，”电气工程系博士后研究员、该研究的第一作者ZifangZhao说。MTA设备使团队能够开发出一种新颖的闭环协议，以实时抑制癫痫网络中海马体和大脑皮层之间的病理耦合。这种方法可以帮助解决经常伴随癫痫的记忆问题。Gelinas说：“这些设备将允许有针对性的、高空间分辨率的响应性神经刺激方法应用于各种大脑功能，极大地拓宽了我们长期修改神经网络和治疗神经精神疾病的能力。”该团队现在正致力于将他们的系统与各种实验平台集成，以提高神经网络功能和认知技能。
