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幸运飞艇“心灵”有望实现?哈佛大学团队发明

2019-04-01 19:17:29 哈佛大学127℃

  科幻电影《阿凡达》中,男主角依靠大脑直接与进行通信,控制其替身在潘多拉星球作战。这种出现在科幻电影里的“控制”和“心灵”有望在现实中实现吗?

  答案是肯定的!在过去的10到15年间,大量的科研人员和公司一直试图重新定义如何使用我们的大脑。实现脑机接口(BCI)可用于控制玩具、达到“更好”的冥想状态、控制机器人、或用作瘫痪肢体系统的恢复。美国联邦机构甚至承诺,有能力实现加速学习、心灵、扩展和转移记忆,或与支持AI的机器共生。

  一般来说,完成高阶任务需要更多的侵入性BCI设备与大脑内更精细的神经元群体进行通信。大脑中单个或小群神经元的神经记录不仅以侵入性为代价,而且还以植入装置和神经退行性的自毁性炎症反应为代价,最终导致BCI过早衰竭。因此,许多团队已经尝试制定策略以规避对脑结构内长期植入的神经探针的神经炎症反应。

  2019年2月26日,哈佛大学素有“纳米鼻祖”之称的Charles Lieber教授领导的团队报道了一种仿神经元设计的神经探针电子器件,这些神经探针试图模仿神经元的细胞结构特征和机械特性,使这些装置能够逃避典型的炎症过程。研究人员认为,在经常被测试的条件下,更小,更灵活的设备将减少神经炎症反应并改善脑驻留电子设备的功能记录性能。

  Lieber的团队使用光刻技术开发了他们的“仿神经元电子器件”(NeuE),其总体厚度仅为~0.9μm,与有髓鞘的轴突相当(图1a)。他们利用以前发表的插入方法,将这种神经探针成功地植入约80%的动物脑结构中。植入的NeuE装置的完整三维映射显示了NeuE装置和天然神经元之间的完美贴合(图1b)。

  NeuE技术的一个显著优势在于,神经电子设备尺寸的进一步减小(因此可预测地减少神经炎症),同时仍然允许在脑的深部区域中可靠地植入。在这项研究中,研究人员在SU-8聚合物基板上制造的神经探针,横截面仅为10μm×1.5μm,可以实现稳定的神经记录和无缝组织整合。但是,更小,更灵活的装置难以植入而不会弯曲,因此,其植入过程需要特殊的技艺。

  值得一提的是,研究人员不仅在90天的电生理学研究期间报告了来自相同神经元的稳定的单个单元记录,而且他们还在植入后数周内测量了在整个研究期间保持的额外单元(图1c)。

  与大多数BCI探针不同的是,NeuE探针在探针-组织界面处没有表现出神经元密度的初始损失,假插入和植入装置都没有发现可检测的神经炎症或神经变性。这表明,通过单一单元记录所检测到的不同神经元数量的增加,不太可能是由于其他研究中所见的组织重塑或水肿减少引起。幸运飞艇网

  因此,Lieber团队考虑了神经元数量增加的另一种来源,即内源性神经前体细胞(NPC)的迁移(图1d)。将0.9μmNeuE探针与其先前报道的20μm直径神经网状装置进行比较表明,内源NPC的细胞粘迁移受神经元样探针的形状调节。研究人员还推测,NPC迁移可能有助于观察组织愈合和检测其他单元的神经尖峰。

  当然,植入物-组织界面募集NPC背后的机制还有待进一步研究,以实现对植入电子器件所引发的天然神经炎症反应的进一步。也许,这种机制对治疗脑损伤和神经退行性疾病会起到很大帮助。虽然最初的小鼠植入研究是一个很有希望的起点,但是当这些装置试图扩展植入到人类时,必须进一步评估生物相容性和长期性能。

  Xiao Yang, Tao Zhou, Theodore J. Zwang, CharlesM. Lieber et al. Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials 2019.

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