新的神经电子系统可以读取和修改脑电路

随着研究人员对大脑的了解越来越多，人们已经清楚，反应性神经刺激在探测神经回路功能和治疗神经精神疾病(如癫痫和帕金森氏病)方面越来越有效。但是，目前设计一种能够进行此类干预的完全可植入和生物兼容设备的方法存在重大限制:它们的分辨率不够高，而且大多数需要大而笨重的组件，这使得植入困难，并存在并发症的风险。

由电气工程助理教授的迪亚·卡达塔基领导的哥伦比亚工程团队已经提出了一种新的方法，这对改进此类设备具有巨大的承诺。基于早期的工作，开发更小，更高效的可塑造生物电子晶体管和材料，研究人员策划了他们的设备创造高性能可植入电路可以读取和操纵大脑回路。他们的多路然后放大(MTA)系统只需要一个多路复用器，相比之下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变得异常和设计方法纠正这一功能障碍。

为了记录、检测和定位癫痫发作，科学家必须用高时间分辨率记录多个位置的大脑活动。这就需要一个高采样率的多通道采集和刺激装置和电路。传统电路在使用多路复用技术将这些信号组合成数据流之前，需要与信道数量相等的放大电路。的大小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。记录大脑的活动，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。

MTA装置是由哥伦比亚纳米计划(Columbia nano initiative)制造的，它使该团队能够开发出一种新的闭环协议，实时抑制癫痫网络中海马和皮质之间的病理耦合。这种方法可以帮助解决癫痫经常伴随的记忆问题。

“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。