新的神经电子系统可以读取和修改脑电路

随着研究人员了解有关大脑的更多信息，很明显，响应性神经刺激在探测神经电路功能和治疗神经精神疾病（例如癫痫和帕金森病）时变得越来越有效。但是，目前设计完全植入和生物相容性设备的方法能够使这种干预措施具有重大限制：它们的分辨率不够高，最需要大量的笨重组件，使植入困难具有并发症的风险。

由电子工程助理教授迪昂·霍达赫利(Dion Khodagholy)领导的哥伦比亚大学工程团队提出了一种改进此类设备的新方法，大有希望。基于他们早期开发更小、更高效的生物电子晶体管和材料的工作，研究人员精心安排了他们的设备来创造高性能植入电路使能允许读取和操纵脑电路。它们的多重放大（MTA）系统仅需要每个多路复用器的一个放大器，相反目前的方法这需要相同数量的放大器，因为通道数量。

“能够检测和干预以治疗脑障碍相关的症状至关重要，例如癫痫发作，实时”生物和神经电导设计的领导者，“Khodagholy说。“不仅是我们的系统比当前设备更小且更灵活，而且它还可以同时刺激多个独立通道上的任意波形，因此它更加多样化。

Khodagholy参与了这项研究，发表于今天国家科学院的诉讼程序（pnas.），Jennifer N.Gelinas，哥伦比亚大学欧文医学中心神经内科和基因组医学研究所。Gelinas是一种神经科学家和儿科癫痫专家，其研究侧重于了解如何神经网络在癫痫和设计方法中变得异常以纠正这种功能障碍。

为了记录，检测和定位癫痫发出，科学家必须在具有高时间分辨率的多个位置进行脑活动。这需要高采样率多通道采集和刺激装置和电路。传统电路需要相同数量的放大电路，因为它们可以将这些信号组合成使用多路复用的数据流。这增加了尺寸电路与频道数量线性。

khodagholy知道Gelinas这样的神经根学家，可以很有需要一个可以记录，过程和刺激大脑活动的一体化，完全植入的系统 - 这种系统将使研究人员能够设计个性化疗法。记录脑活动，他需要多通道放大器，但可用的选择太大和笨拙。当团队继续使他们的电极更有效，使用导电聚合物降低阻抗时，他们突然想知道，如果他们利用电极改进的电路设计，把多路复用器放在放大器前面，而不是在放大器后面，会发生什么。

有了这个新想法，该团队制作了MTA装置，并通过开发一个完全可植入的、响应性强的嵌入式系统来确认其功能，该系统可以使用符合要求的导电聚合物基电极实时获取单个神经动作电位。它可以通过低延迟任意波形刺激和本地数据存储来实现这一点——所有这些都在一个小型化(大约四分之一的大小)物理内存中完成。

“关键挑战是在复用操作期间创造电荷排水路径，以消除任何不需要的电荷累积，”电气工程系的博士生和第一个作者的第一个作者Zifang Zhao表示。

在哥伦比亚纳米倡议中制造的MTA器件使该团队能够开发一种新的闭环方案，以抑制海马与皮质之间的病理偶联在癫痫网络内实时。这种类型的方法可以帮助解决通常伴随癫痫的内存问题。

“这些装置将允许靶向高时的刺激性刺激方法应用于各种大脑功能，大大扩大了长期修改神经网络并治疗神经精神疾病的能力，”Gelinas说。

该团队现在正在将其系统与各种实验平台集成，其目的是提高神经网络功能和认知技能。

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