工程师为未来的神经手术假肢开辟道路

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使用光而不是电来测量神经活动的新方法，这可能会导致对神经手术假肢和脑机接口等医疗技术的彻底重新构想。

新南威尔士大学电气工程与电信学院的 François Ladouceur 教授说，这个多学科团队刚刚在实验室证明了它在大流行前不久在理论上证明了这一点：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，这些光极不仅性能与使用电流检测神经冲动的传统电极一样好，而且还解决了“竞争技术无法解决的非常棘手的问题”。

“首先，使用传统电极很难缩小接口的尺寸，这样成千上万的电极就可以在很小的区域内连接到数千条神经。”

“当你缩小数千个电极并将它们靠得更近以连接到生物组织时，其中一个问题是它们的个体电阻增加，这会降低信噪比，因此我们在读取信号时遇到问题。我们称之为这种“阻抗不匹配”。

“另一个问题是我们所说的‘串扰’——当你缩小这些电极并使它们靠得更近时，它们就会开始交谈，或者因为它们的接近而相互影响。”

但是由于光极使用光而不是电来检测神经信号，因此阻抗不匹配的问题是多余的，并且串扰最小化。

Ladouceur 教授说：“我们方法的真正优势在于，我们可以使这种连接在光域中非常密集，而且我们无需支付在电域中必须付出的代价。”

体内演示

在最近发表在《神经工程杂志》上的研究中，Ladouceur 教授和新南威尔士大学的其他研究人员希望证明，他们可以使用光极来准确测量神经冲动，因为它们沿着活体动物的神经纤维传播。

Scientia 教授 Nigel Lovell 是生物医学工程研究生院的负责人，也是 Tyree 基金会健康工程研究所所长，他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，并用光极记录神经信号。然后他们使用传统电极和生物放大器做了同样的事情。

“我们证明了神经反应基本相同，”洛弗尔教授说。“光学噪声仍然更多，但这并不奇怪，因为这是全新的技术，我们可以对此进行研究。但最终，我们可以通过电学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神经冲动——相对较弱，以微伏为单位测量——可以通过光极技术记录下来。下一步将扩大光极的数量，以便能够处理复杂的神经和可兴奋组织网络。

Ladouceur 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操作有一定技巧的手?

“你可以捡起一个物体，你可以判断摩擦力，你可以施加适当的压力来握住它，你可以精确地从 A 移动到 B，你可以走得快或慢——所有这些我们都没有甚至不要考虑我们何时执行这些操作。答案并不那么明显，我们不得不在文献中进行大量搜索，但我们相信大约有 5000 到 10,000 个连接。

换句话说，在你的大脑和你的手之间，有一束神经从你的皮层向下传播，并最终分成 5000 到 10000 条神经，这些神经控制着你手部的精细操作。

如果具有数千个光学连接的芯片可以连接到您的大脑，或者在神经束分离之前的手臂中的某个位置，那么假手可能能够以与生物手相同的能力发挥作用。

无论如何，这就是梦想，Ladouceur 教授说，在它成为现实之前，可能需要数十年的进一步研究。这将包括开发光极双向的能力。他们不仅会在到达身体的途中接收和解释来自大脑的信号，还可以接收返回大脑的神经冲动形式的反馈。