脑机接口 (BCI) 是新兴的辅助设备，有朝一日可能会帮助大脑或脊髓损伤的人进行移动或交流。BCI 系统依赖于植入式传感器，这些传感器将记录大脑中的电信号，并使用这些信号来驱动计算机或机器人假肢等外部设备。

大多数当前的 BCI 系统使用一个或两个传感器来采样多达数百个神经元，但神经科学家对能够从更大的脑细胞群中收集数据的系统感兴趣。

现在，一组研究人员朝着未来
 BCI 
系统的新概念迈出了关键一步——该系统采用由独立的无线微型神经传感器组成的协调网络，每个传感器的大小约为一粒盐大小，以记录和刺激大脑活动。被称为“神经元”的传感器独立记录由激发神经元产生的电脉冲，并将信号无线发送到中央集线器，中央集线器负责协调和处理信号。

在 8 月 12 日发表在Nature Electronics上的一项研究中，研究小组展示了使用近 50 个这样的自主神经颗粒来记录啮齿动物的神经活动。

研究人员表示，这些结果是朝着有朝一日能够以前所未有的细节记录大脑信号的系统迈出的一步，从而为大脑或脊髓损伤的人带来对大脑如何工作的新见解和新疗法。

布朗工程学院教授、该研究的资深作者阿尔托·努尔米科
 (Arto Nurmikko) 说：“脑机接口领域的一大挑战是设计方法来探测大脑中尽可能多的点。” 
“到目前为止，大多数脑机接口都是整体设备——有点像小针床。我们团队的想法是将整体设备分解成可以分布在整个大脑皮层的微小传感器。这就是我们能够做到的在这里演示。”

该团队由来自布朗大学、贝勒大学、加州大学圣地亚哥分校和高通公司的专家组成，大约在四年前开始开发该系统。隶属于布朗卡尼脑科学研究所的
 Nurmikko 
说，挑战是双重的。第一部分需要缩小涉及检测、放大神经信号并将其传输到微型硅神经颗粒芯片中的复杂电子设备。该团队首先在计算机上设计和模拟电子设备，并通过多次制造迭代来开发可操作的芯片。

第二个挑战是开发从这些微型芯片接收信号的身体外部通信集线器。该装置是一个薄贴片，大约有拇指印大小，附着在头骨外的头皮上。它的工作原理就像一个微型蜂窝电话塔，采用网络协议来协调来自神经颗粒的信号，每个神经颗粒都有自己的网络地址。该贴片还以无线方式为神经颗粒供电，这些神经颗粒设计用于使用最少的电力进行操作。

“这项工作是一项真正的多学科挑战，”布朗大学的博士后研究员、该研究的主要作者 Jihun Lee 说。“我们必须汇集电磁学、射频通信、电路设计、制造和神经科学方面的专业知识来设计和操作神经颗粒系统。”

这项新研究的目标是证明该系统可以记录来自活体大脑的神经信号——在这种情况下，是啮齿动物的大脑。该团队将 48 个神经颗粒放置在动物的大脑皮层（大脑的外层）上，并成功记录了与自发大脑活动相关的特征性神经信号。

该团队还测试了这些设备刺激大脑以及记录大脑的能力。刺激是通过可以激活神经活动的微小电脉冲完成的。研究人员希望，这种刺激是由协调神经记录的同一个中枢驱动的，有朝一日可以恢复因疾病或受伤而失去的大脑功能。

动物大脑的大小将团队限制在 48 个神经颗粒用于这项研究，但数据表明系统的当前配置可以支持多达 770 个。最终，该团队设想扩大到数千个神经颗粒，这将提供一个目前无法实现的大脑活动图片。

“这是一项具有挑战性的工作，因为该系统需要以每秒兆位的速率同时进行无线电力传输和联网，而这必须在极其严格的硅面积和功率限制下完成，”助理研究员 Vincent Leung 说。贝勒电气与计算机工程系教授。“我们的团队推动了分布式神经植入物的发展。”

要使这个完整的系统成为现实，还有很多工作要做，但研究人员表示，这项研究代表了朝这个方向迈出的关键一步。

Nurmikko 说：“我们希望最终能够开发出一个系统，为大脑提供新的科学见解和新的疗法，以帮助遭受毁灭性伤害的人。”

该研究的其他合著者包括
 Ah-Hyoung Lee（布朗）、Jiannan Huang（加州大学圣地亚哥分校）、Peter 
Asbeck（加州大学圣地亚哥分校）、Patrick P. Mercier（加州大学圣地亚哥分校）、Stephen 
Shellhammer（高通）、Lawrence Larson（布朗）和 Farah Laiwalla 
（棕色的）。该研究得到了美国国防高级研究计划局 (N66001-17-C-4013) 的支持。相关文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00631-8。