工程师们点亮了未来神经操作假肢的道路
新南威尔士大学悉尼分校的生物医学和电气工程师开发了一种利用光而不是电来测量神经活动的新方法，这可能会彻底重塑诸如神经操作假肢和脑机接口等医疗技术。
新南威尔士大学电气工程和电信学院的François Ladouceur教授说，这个多学科团队刚刚在实验室中演示了在大流行前不久从理论上证明的东西:使用液晶和集成光学技术构建的传感器——被称为“光电极”——可以记录活体动物体内的神经冲动。
Ladouceur教授说，这些光极不仅表现得和传统电极一样好(利用电流来检测神经冲动)，而且它们还解决了“竞争技术无法解决的非常棘手的问题”。
“首先，使用传统电极缩小接口尺寸非常困难，这样数千个电极可以在非常小的区域内连接数千条神经。”
“当你缩小数千个电极并将它们更紧密地连接到生物组织时，其中一个问题是它们的单个电阻会增加，这降低了信噪比，所以我们在读取信号时遇到了问题。我们称之为“阻抗不匹配”。
“另一个问题是我们所说的‘相声’——当你缩小这些电极并把它们靠得更近时，它们就会因为彼此的距离而开始交谈或相互影响。”
但因为光极利用光而不是电来探测神经信号，阻抗失配问题是冗余和串扰最小化。
拉杜克尔教授说:“我们的方法的真正优势在于，我们可以使这种连接在光学领域非常密集，而不必像在电领域那样付出代价。”
体内实验
最近发表在神经工程学报拉多克尔教授和新南威尔士大学的研究人员希望证明，当神经脉冲在活体动物的神经纤维中传播时，他们可以使用光极精确地测量神经脉冲。
生物医学工程研究生院院长、泰里基金会健康工程研究所所长、科学教授奈杰尔·洛弗尔是试图在实验室中证明这一点的研究团队的一员。
他说，该团队将一个光极连接到麻醉动物的坐骨神经上。然后用小电流刺激神经，用光极记录神经信号。然后他们用传统电极和生物放大器做了同样的实验。
洛弗尔教授说:“我们证明了神经反应本质上是相同的。”“光学系统仍然有更多的噪声，但这并不奇怪，因为这是一项全新的技术，我们可以在这方面进行研究。但最终，我们可以通过电或光学测量来识别相同的特征。”
假肢的新曙光
到目前为止，该团队已经能够证明这一点神经冲动——相对较弱，测量单位为微伏——可以通过光极技术进行记录。下一步将是扩大光极的数量，使之能够处理神经和易兴奋组织的复杂网络。
拉多克尔教授说，在项目开始时，他的同事们问自己，一个男人或女人需要多少个神经连接才能熟练地操作一只手?
“你可以拿起一个物体，你可以判断摩擦力，你可以施加合适的压力来握住它，你可以精确地从A点移动到B点，你可以快或慢——所有这些都是我们在执行这些动作时甚至不会想到的。答案并不那么明显，我们不得不在文献中搜索了不少，但我们相信大约有5000到10000个连接。”
换句话说，在你的大脑和你的手之间有一束神经从你的大脑皮层向下传播，最终分裂成那5000到10000条神经，控制着你的手的精密操作。
如果一个带有数千个光学连接的芯片可以连接到你的大脑，或者在神经束分离之前连接到手臂上的某个地方，那么假手就可能具有与生物手相同的功能。
无论如何，这只是一个梦想，拉多克尔教授说，在它成为现实之前，可能还需要进行几十年的进一步研究。这将包括发展双向光极的能力。它们不仅能在传递到身体的过程中接收和解释来自大脑的信号，还能以神经脉冲的形式接收反馈，并返回到大脑。
长远的游戏:脑机接口
神经修复术并不是光极技术有可能重新定义的唯一领域。长期以来，人类一直幻想着将技术和机器集成到人体中，从而修复或增强人体功能。
其中一些现在已经成为现实，如人工耳蜗植入、起搏器和心脏除颤器，更不用说智能手表和其他提供持续生物反馈的跟踪设备了。
但其中一个更远大的目标是生物医学工程神经科学是一种脑机接口，它的目的不仅是连接大脑和身体的其他部分，而且可能是连接世界。
洛弗尔教授说:“神经接口领域是一个令人难以置信的令人兴奋的领域，将是未来十年密集研究和开发的主题。”
虽然目前这更多是虚构的，而不是事实，但许多生物技术公司都非常重视这一点。企业家埃隆·马斯克是Neuralink的联合创始人之一，该公司旨在创造脑机接口，有可能帮助瘫痪患者，并将人工智能融入我们的大脑活动。
Neuralink的方法在其设备中使用传统的电线电极，因此如果他们想要开发出在大脑和植入设备之间连接数千甚至数百万的设备，就必须克服阻抗不匹配和串扰等诸多挑战。最近有报道称，马斯克对该技术开发的缓慢速度感到沮丧。
拉多克尔教授说，时间将证明Neuralink及其竞争对手能否成功消除这些障碍。然而，鉴于目前捕捉神经活动的可植入体内装置被限制在大约100个左右的电极，这仍然有很长的路要走。
“我并不是说这是不可能的，但如果你坚持使用标准电极，那就真的会有问题，”拉杜克尔教授说。
“我们在光学领域没有这些问题。在我们的设备中，如果有的话神经活动，它的存在影响的方向液晶我们可以通过照射它来检测和量化。这意味着我们不像电线电极那样从生物组织中提取电流。因此，生物传感可以更有效地完成。”
现在，研究人员已经证明了这种光极方法在体内是有效的，他们不久将发表一项研究，表明这种光极技术是双向的——它不仅可以读取神经信号，也可以写入它们。
进一步探索
