石墨烯與磁學(xué)在大腦中的應(yīng)用：生物電子腦植入物的研究

隨著電子學(xué)和生物學(xué)之間的差距越來越小，越來越多的設(shè)備正在被研究。最近，一個(gè)焦點(diǎn)是生物電子學(xué)，即大腦的植入物。

最近，人們對(duì)生物電子學(xué)的研究領(lǐng)域，即植入物的研究領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣。因?yàn)榇竽X一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著我們的技術(shù)在生物系統(tǒng)中找到能力和應(yīng)用，現(xiàn)在可能是解開大腦秘密的時(shí)候了。

一個(gè)用于擾亂生物學(xué)和電子學(xué)的高級(jí)框架。

一個(gè)用于擾亂生物學(xué)和電子學(xué)的高級(jí)框架。圖片由Teo等人提供

對(duì)這股興趣洪流的另一個(gè)關(guān)鍵見解是，如何利用電子硬件研究大腦，同時(shí)為帕金森氏癥等腦部疾病找到治療方案。

本文將討論正在開發(fā)的用于大腦接口的硬件，以及縮小生物學(xué)和電氣工程之間差距的前景。

石墨烯在神經(jīng)植入物中的應(yīng)用

一家試圖通過技術(shù)找到大腦疾病解決方案的公司是石墨烯旗艦公司的一家分拆公司，名為INBRAIN Neuroelectronics。

INBRAIN正在開發(fā)基于石墨烯的神經(jīng)植入物，可以為患有癲癇、帕金森氏癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者提供個(gè)性化治療。

INBRAIN的解決方案和其他神經(jīng)植入物之間的關(guān)鍵區(qū)別在于它使用石墨烯，而大多數(shù)競爭對(duì)手的大腦接口都是基于金屬，通常是鉑和銥。不幸的是，這些金屬會(huì)導(dǎo)致尺寸和信號(hào)分辨率的限制，導(dǎo)致患者50%的排斥率。

INBRAIN原型的表面積。

INBRAIN原型的表面積。圖片由Garcia Cortadella等人提供

與這些金屬不同，石墨烯沒有這些相同的局限性，因?yàn)樗梢栽诩{米級(jí)制造，未來最終達(dá)到單個(gè)神經(jīng)元的分辨率。此外，石墨烯具有生物相容性、輕質(zhì)性和高導(dǎo)電性，使植入和無線充電更加安全。

然后，這些石墨烯植入物使用人工智能來學(xué)習(xí)大腦的功能，使其能夠向大腦發(fā)送個(gè)性化的適應(yīng)性反應(yīng)。雖然這可以自主發(fā)生，但植入物可以允許遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。

INBRAIN設(shè)計(jì)的另一個(gè)新穎方面是它能夠在從極低（~10 Hz）到高頻的寬頻帶內(nèi)測量腦電波。這個(gè)極低的區(qū)域在過去再次避開了傳感器，因?yàn)橹暗拇蠖鄶?shù)植入物都使用了不兼容的金屬。

INBRAIN設(shè)備的電路原理圖。

INBRAIN設(shè)備的電路原理圖。圖片由Garcia Cortadella等人提供

根據(jù)Graphene Flagship的說法，這種低頻大腦活動(dòng)往往決定了高頻的行為，因此讀取這個(gè)頻帶可以解碼患者的大腦狀態(tài)。此外，在大鼠身上測試時(shí)，這種植入物沒有兼容性問題，因?yàn)楦哳l和低頻活動(dòng)之間存在很好的相關(guān)性。

在獲得陽性測試結(jié)果后，該團(tuán)隊(duì)尋找商業(yè)應(yīng)用，將這種植入物推向世界。

盡管在生物電子學(xué)中使用石墨烯只是正在研究的許多想法中的一個(gè)，但另一個(gè)想法側(cè)重于磁體在生物電學(xué)中的作用。

萊斯大學(xué)的MagNI：用磁鐵給植入物充電

萊斯大學(xué)的研究人員也在這一領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種磁電神經(jīng)植入物。

萊斯大學(xué)的MagNI。

萊斯大學(xué)的MagNI。圖片由萊斯大學(xué)提供

該設(shè)備允許通過可穿戴帶產(chǎn)生的磁場對(duì)植入物進(jìn)行充電和編程。它使用磁電傳感器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樗梢栽谏眢w外部收集交變磁場，因?yàn)樯眢w不會(huì)吸收磁場或從磁場中加熱。

MagNI允許對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行程序化電刺激，可以幫助神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者。該設(shè)備非常緊湊，只需要三個(gè)位于柔性聚酰亞胺基板上的組件，一個(gè)將磁場轉(zhuǎn)換為電場的2x4毫米磁電薄膜，一個(gè)CMOS芯片和一個(gè)用于臨時(shí)儲(chǔ)能的電容器。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正試圖在設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量和信息的雙向流動(dòng)，而不是目前能量只能流入設(shè)備的方式。

盡管在開發(fā)這種生物電子設(shè)備方面遇到了挫折，但隨著更多的進(jìn)步和研究取得成果，生物學(xué)和電子學(xué)的世界正在穩(wěn)步縮小。

彌合差距？

這些應(yīng)用的跨學(xué)科興趣也正在進(jìn)入課堂，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院開設(shè)了一門新課程，生物電子學(xué)導(dǎo)論（BE 129）。

據(jù)哈佛大學(xué)介紹，本課程介紹了該領(lǐng)域提供的挑戰(zhàn)和令人興奮的應(yīng)用，并根據(jù)在該領(lǐng)域有效工作所需的廣泛知識(shí)為學(xué)生做好準(zhǔn)備。

雖然生物電子學(xué)領(lǐng)域始于18世紀(jì)中葉，但大腦功能等問題仍然是個(gè)謎。本課程旨在培養(yǎng)下一代解決這些期待已久的問題，即利用技術(shù)。

最后的想法

總的來說，生物電子學(xué)是一個(gè)研究人員和工程師都有機(jī)會(huì)的成熟領(lǐng)域。盡管我們的身體內(nèi)還有很多東西需要學(xué)習(xí)和解鎖，這些問題也在不斷得到解決，但更多的治療方法和用電子設(shè)備幫助他人成為可能。