播种小小的神经“颗粒”，就能在大脑和机器之间传输信息？| 对无创脑机接口的追问

KEYPOINTS

○ 近期发表在《Nature Electronics》杂志上的一项研究，由跨学科研究团队研发了一种微型“神经颗粒”（传感器），体积只有一粒盐大小，可以成百上千部署进大脑，获取更完整的大脑信息；同时也具备信息传输能力，可以释放电脉冲刺激大脑恢复功能。

○ 和有创脑机接口相比，无创脑机接口需要优先解决精准、精确获取脑内信息这一问题。新型的微创脑机接口可以给予我们启发，通过更多数量的微型传感器来获取更多的脑内信息，并通过无限的方式扩展应用范围，从而革新目前的装备。

作为一项新兴的技术，脑机接口的发展依旧需要解决很多技术上的难题，包括：

• 大脑内每时每刻都会产生海量的数据，我们该如何储存？

• 目前的通信技术显然无法在短时间内传输海量的数据，如何解决大通量数据传输问题？

• 当获取了足量的数据之后，对如此大量的数据进行分析并找到背后神经元之间的联系及规律，计算机系统如何发展和优化？

• ……

这些都是脑机接口需要面对并解决的问题，不过无创脑机接口还有个特殊问题：如何在无创的情况下更加精准、精确地获取脑内的信息。

最新发表在《Nature Electronics》上的一项研究或许可以给我们启发。

这项由来自布朗大学、贝勒大学、加州大学圣地亚哥分校及高通公司的研究团队推进的项目中，就介绍了他们最新研发的微型传感器，他们将其称之为“神经颗粒”——这种新型的传感器仅有盐粒大小，可以在脑内部署近千颗，从而更广泛地获取和记录动物的大脑神经活动，并借此来探索更完整的大脑功能，为治疗脑部疾病带来新的希望。

▷ 脑机互联，图片来源：Pixabay

和目前大多数脑机接口采用的集中的、小针床式的传感装置不同，这一次，研究团队将整体的传感器进行了分解，通过“化整为零”的策略将传感装置变成了一个个细小的微型的传感器，也就是前面说到的“神经颗粒”。

这种神经颗粒仅仅只有一粒盐大小，它们负责检测、放大神经信号并将这些信号传输出来——在经过多次迭代之后，研究人员才终于开发出了微小的可操作的芯片。

和传统的使用一整块的芯片来采集信息相比，它不仅更加微小，而且可以布置更多的数量来获取大脑信息；使用一整块的电极很难完全捕捉到全部的信息，但是通过微小的类似于“神经元”的神经颗粒，则有望获取更多的大脑内部信息，并可以通过增加芯片的数量来扩大数据量。

▷ 大脑的不同区域执行不同的功能，图片来源：Pixabay

制造出微小神经颗粒仅仅是第一步，第二步则是解决信号收集的问题。研究人员开发了一个体外的信息收集器——它是一个只有拇指盖大小的薄片，可以通过贴在大脑皮层上接收来自神经颗粒的信息。

简单来说，这些分散的神经颗粒相当于一个个手机，而这个信息收集器就类似于一个微型的蜂窝电话塔，不仅可以接收手机发出的信息，还可以通过手机的编号来确认是哪部手机发出的信息。这个信息收集器还是一个局部的无线充电器，可以通过无线传输的方式为这些微型的神经颗粒“充电”，从而让它们可以更持久地工作。

本次研究中，研究人员一共在动物的大脑皮层上放置了48个这种微型的神经颗粒，并且成功记录了动物自发大脑活动相关的特征性神经信号。

这些神经颗粒还可以发挥更多的功能：它可以刺激大脑来诱发大脑神经反应，在输出信息的同时“输入指令”。神经颗粒可以给予大脑微小的电脉冲刺激，激活大脑的神经活动，这为大脑或者脊髓损伤的患者提供了新的治疗希望。

虽然本次研究研究人员只放置了48个神经颗粒作为研究，但是系统支持的配置上限可以达到770个，并且通过对技术的升级和改造，这一数目还可以继续提升，从而达到上千个乃至数千个，如此多的神经颗粒可以帮助人们绘制一个更完整、更丰富的“大脑活动地图”。

▷ 人脑信息化，图片来源：Pixabay

这项新研究也为无创脑机接口未来的发展提供了一些不同的思路。

首先，是装备的升级——目前无创脑机接口大多数都是通过头戴式的装备来获取脑内的信息，是否可以采取“化整为零”的形式来对信息获取装备进行改造？

其次，是设备微型化问题。微型化有望使获取信息的装置随身携带，从而实现不间断的信息获取和传输，实现无创脑机接口实时、持续的交互。

第三点，则是信息传输的距离。这项新的研究通过将传感器和接收器分开，进行信息过继，从而打破距离的束缚，无创脑机接口是否也可以采用类似的方式打破“有线”的束缚？

这些都是我们在开发下一代无创脑机接口时需要面对的“追问”， 如果您有更多的问题，可以扫描二维码进群和我们讨论。

下期预告：中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长，TCCI研究员陶虎的脑机接口专访，敬请期待！

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作者：Aaron

编辑：Jiahui，Lixia，EY

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[1] Tiny ‘neurograins’ could one day stimulate brain activity.

[2] Toward next-generation brain-computer interface systems.

[3Lee, J., Leung, V., Lee, AH. et al. Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants. Nat Electron 4, 604–614 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00631-8.