哈佛研究人员说：柔性水凝胶电极也许是脑机接口的下一步
哈佛大学和麻省理工学院的研究人员表示，他们的水凝胶支架可能是融合人脑和机器的秘密。它还可以帮助我们更多地了解大脑是如何工作的。
在大卫·柯南伯格1999年的惊悚片《eXistenZ》的近未来世界中，世界上大部分人都在脊椎中安装了一个“生物港口”，让他们可以直接与沉浸式多人视频游戏互动。硬件和其他形式的技术已经变得生物的、有机的。(这部电影不适合挑剔的观众。)
导演的设想越来越接近现实。
最近发表在在《Advanced Healthcare Materials》的一篇文章中，来自哈佛大学的研究人员报道了一种新型导电水凝胶“支架”，最终可用于创建软脑机接口(或BCI)，将大脑的神经信号转换为机器可读的指令。
包括Blackrock Neurotech、BrainGate、Synchron和埃隆·马斯克(Elon Musk)的Neuralink在内的许多公司都在开发BCI技术，其潜在应用包括监测神经疾病患者的大脑活动，恢复盲人的视力，帮助瘫痪患者重新获得四肢的控制和感觉，以及使人类仅用意念控制机器(包括飞机和武器)。
这项技术在很大程度上仍处于实验阶段——美国政府问责局(U.S. Government Accountability) 2022年的一份报告估计，全球只有不到40人植入了脑机接口，通过手术直接连接到患者的灰质上。(Neuralink正在接受动物权利投诉的调查，这些投诉源于有关数百只动物死亡的测试报告。)到目前为止，只有两家公司——Blackrock和Synchron——获得了美国食品和药物管理局的许可，可以在人体上测试BCI植入物。
水凝胶电极
目前，几乎所有已知的设备都依赖于金属制成的微型电极，而金属并不是一种对大脑特别友好的材料。它们有感染和排斥的风险。由于金属坚硬且刚性，它不能真正符合大脑的轮廓，这使得它很难与器官光滑的表面保持安全可靠的连接。哈佛大学研究员克里斯蒂娜·特林灵德（Christina Tringides）说:“对这种刚度不匹配打个比方，就像把金属勺子放在一碗果冻中。”“当我们呼吸时，我们的大脑会有一点微运动。如果你把勺子放在果冻碗的中央，轻轻摇晃果冻碗，随着时间的推移，果冻里会出现一个小的、勺子引起的空洞。就(设备)而言，这意味着随着时间的推移会出现组织损伤和疤痕。”
该水凝胶电极由水凝胶制成的网状支架组成，水凝胶是一种聚合物材料，可以吸收大量的水而不溶解，就像从海藻中提取的非常柔软的海绵。研究人员添加了碳纳米管和石墨烯薄片作为导电材料，从而使水凝胶能够向大脑传输电脉冲。他们使用了一种创新的冷冻干燥工艺，使水凝胶具有多孔结构，具有微小的口袋，为脑细胞的生长提供了微环境。其结果是一个极其灵活、导电(并且部分是活的)的脑机接口。
克里斯蒂娜·特林灵德（Christina Tringides）说:“水凝胶与大脑具有相同的机械性能，甚至具有相同的粘弹性。”这有助于减少排斥问题。“对于刚性或刚性的设备，任何植入物中发生的第一件事就是身体建立一个纤维化疤痕来容纳植入物，并将其与身体其他部分隔离开来，因为它被视为异物。水凝胶电极不应该有这个问题。”
在实验室里，研究人员在水凝胶支架上植入了人类神经祖细胞——“blank slate”细胞，可以转化成各种特定的细胞类型——在用电流脉冲后，发现它们“在支架上形成了晶格状结构的网络，并分化成具有特定特征的多种细胞类型”。发现在水凝胶中生长的一些重要类型的脑细胞包括星形胶质细胞和少突胶质细胞，星形胶质细胞有助于神经修复，少突胶质形成髓鞘，使细长的神经纤维（称为轴突）绝缘。生长有髓轴突一直是开发大脑活体模型的一个持续挑战。
特林灵德（Tringides）和他的同事David moony一起申请了这项技术的专利，他认为含有活细胞的软电极比金属电极更能实现细胞间的自然接触，也能更好地与大脑结合。她说:“在脑机接口的理论案例中，现在植入的设备将真正模仿大脑的结构和组成。”
参考：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adhm.202202221
https://www.fastcompany.com/90834228/innovative-hydrogel-scaffold-brain-computer-interface
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