神经冲动转化为光为下一代假肢

生物医学和电气工程师在悉尼新南威尔士大学已经开发出一种新方法来测量神经活动使用光,而不是电——这可能导致医疗技术的完整重新nerve-operated假肢和脑机接口。

弗朗索瓦•Ladouceur教授新南威尔士大学的学院的电气工程和电信多学科团队说,刚刚在实验室演示它从理论上证明了大流行:前不久,传感器使用液晶构建和集成光学技术——被称为“光纤化学传感”——可以注册一种有生命的动物体内的神经冲动。

不仅这些光纤化学传感执行一样传统电极,用电检测神经冲动——但他们也解决“非常棘手的竞争技术不能解决的问题”,Ladouceur教授说。

“首先,很难缩小界面使用常规电极的大小,这样他们可以连接到成千上万的神经一个很小的区域内。

”的一个问题你缩小成千上万的电极和把它们紧密连接到生物组织是各自的阻力增加,降低了信噪比我们读信号有问题。我们称之为“阻抗不匹配”。

“另一个问题就是我们所说的“相声”——当你缩小这些电极,让他们靠得更近,他们开始交谈,或互相影响,因为他们的距离”。

“我们的方法的真正优势是,我们可以使此连接非常密集的在光学领域和我们不付出代价,你必须支付在电子领域中,“Ladouceur教授说。

在最近发表的研究《神经工程,Ladouceur教授和其他研究人员在新南威尔士大学想表明他们可以利用光纤化学传感精确测量的神经冲动,他们沿着神经纤维在活的动物。

Scientia教授奈杰尔•洛弗尔的负责人生物医学工程研究生院主任批基础研究所的健康工程是研究团队的一部分,在实验室里试图证明这一点。

他说,团队连接一个光纤化学传感的坐骨神经,曝露出的动物。神经然后用一个小电流刺激,神经信号记录与光纤化学传感。然后他们使用传统的电极和bioamplifier相同。

“我们证明了神经反应本质上是相同的,”洛弗尔教授说。光学“依然有很多噪音,但这并不奇怪,因为这是全新的技术,我们可以工作。但最终,我们可以识别相同的特征通过测量电或光。”

新黎明假肢

到目前为止,团队已经能够证明神经冲动——相对较弱,以微伏——可以注册光纤化学传感技术。下一步将扩大光纤化学传感的数量能够处理复杂的神经网络和兴奋性组织。

Ladouceur教授说,在项目的开始,他的同事问自己,一个男人或女人究竟需要多少神经连接操作的手灵巧度?

”,你可以选择一个对象,你可以判断摩擦,您可以应用合适的压力,你可以精确地从A到B,你可以快和慢——所有这些事情,我们甚至不考虑当我们执行这些操作。答案不是很明显,我们必须搜索相当多的文献,但我们相信这是5000 - 10000个连接。

换句话说,在你的大脑和你的手有一束从大脑皮层神经的旅行下来,最终分为那些5000年至10000年神经控制的操作你的手。

如果与成千上万的光连接芯片可以连接到你的大脑,或者一些在神经束分离前的手臂,假肢手可能能够函数一样的能力作为一个生物。

的梦想,不管怎样,Ladouceur教授说,有可能几十年的进一步研究之前,这是一个现实。这将包括发展能力光纤化学传感是双向的。不仅他们会接收和解释信号从大脑对身体的路上,他们可以接收反馈的形式回到大脑神经冲动。

长时间游戏:脑机接口

光纤化学传感神经假肢并不是唯一的空间技术有可能重新定义。人类很早就幻想过集成技术和机械到人体修复或提高它。

这现在是一个现实,如人工耳蜗,心脏起搏器和心脏除颤器,更不用说智能手表和其他跟踪设备给予持续的生物反馈。

但一个更加雄心勃勃的目标生物医学工程和神经科学的脑机接口,旨在连接大脑不仅身体的其他部位,但潜在的世界。

“神经接口的面积是一个非常令人兴奋的领域,将强烈的主题研究和发展在未来十年中,“洛弗尔教授说。

虽然这是无稽之谈了现在,有许多生物技术公司重视这个。企业家Elon Musk的创始人之一Neuralink旨在创建脑-机接口有可能帮助人们与瘫痪以及将人工智能纳入我们的大脑活动。

Neuralink方法使用传统线电极的设备所以必须克服阻抗失配和相声——在许多其他挑战——如果他们开发设备,主机成千上万,如果不是数百万,大脑和植入设备之间的连接。最近马斯克报道是沮丧的缓慢发展的技术。

Ladouceur教授说,时间会告诉我们是否Neuralink及其竞争对手成功地消除这些障碍。然而,鉴于植入体内设备捕获神经活动目前限制到100左右电极,还有很长的路要走。

“我并不是说这是不可能的,但它真的变成了问题如果你坚持标准电极,“Ladouceur教授说。

“我们没有这些问题在光学领域。在我们的设备,如果有神经活动,它的存在影响液晶的方向我们可以检测和量化的闪亮的光。这意味着我们不从生物组织中提取当前线电极。因此,若能做更有效率。”

现在,研究人员已经表明,光纤化学传感方法体内,他们不久将发表的一项研究,揭示了光纤化学传感技术是双向的,它不仅可以读神经信号,但也可以写。

参考:Abed AA,魏Y, Almasri RM, et al .液晶光电传感器的电生理学的传感应用。J神经英格。2022;19 (5):056031。doi:10.1088 / 1741 - 2552 / ac8ed6

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