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從增強(qiáng)機(jī)動性和運(yùn)動功能到改善感覺能力，腦機(jī)接口（BCI）可以通過實(shí)現(xiàn)無縫通信、改善認(rèn)知功能和加速醫(yī)學(xué)治療的發(fā)展來擴(kuò)展我們的人類能力。然而，目前侵入性和非侵入性技術(shù)存在根本性的局限性，這意味著要使消費(fèi)級BCI成為普遍應(yīng)用，需要開發(fā)并驗(yàn)證新技術(shù)。

為了充分發(fā)揮腦機(jī)接口的潛力，我們需要這樣一個(gè)系統(tǒng)：1)無線傳輸數(shù)據(jù)；2)不依賴于手術(shù)裝置；3)保持神經(jīng)組織和有效傳遞能量和信息所需材料之間的近端接觸；4)既能刺激又能記錄神經(jīng)活動（或雙向能力）。為了彌合侵入性和非侵入性技術(shù)之間的差距，生物相容性納米顆粒等納米級材料提供了有前景的替代方案，使我們能夠設(shè)計(jì)細(xì)胞系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)級別的材料。

納米粒子：腦機(jī)接口的新方法

使用納米材料，如導(dǎo)電聚合物或石墨烯，來改善植入電極一直是廣泛研究的焦點(diǎn)，但最終，這些材料仍然必須通過手術(shù)進(jìn)入大腦。為了使一種技術(shù)以盡可能少的干預(yù)進(jìn)入腦組織，必須在細(xì)胞本身的規(guī)模上設(shè)計(jì)組件。

由于它們的小尺寸（<100納米），納米顆粒能夠與神經(jīng)組織密切相互作用，并能夠通過微創(chuàng)途徑進(jìn)入大腦，包括通過血腦屏障的靜脈注射和鼻內(nèi)途徑。納米粒子也適用于多方面的設(shè)計(jì)。顆粒本身足夠大，具有超出其主要化學(xué)成分的固有材料特性，例如壓電效應(yīng)，但足夠小，可以與小分子或生物分子進(jìn)行表面功能化，從而在生物系統(tǒng)中的行為中發(fā)揮重要作用。這些特性使納米天線的合理設(shè)計(jì)成為可能，它可以將信號輸入和輸出到大腦中，并為未來幾代腦機(jī)接口奠定基礎(chǔ)。

納米粒子神經(jīng)調(diào)節(jié)

將納米粒子用作大腦中的天線這一概念在過去15年中在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛研究。其中絕大多數(shù)工作都集中在利用納米粒子進(jìn)行神經(jīng)調(diào)節(jié)。雖然使用超聲波或光來刺激這些粒子已經(jīng)取得了一些成果，但鑒于其相對較高的組織透明度，絕大多數(shù)情況下選擇的信號類型是磁性的。早期研究結(jié)果集中在利用磁熱或磁機(jī)械機(jī)制來激發(fā)神經(jīng)元，但最有希望的結(jié)果是磁電納米顆粒。這些材料將一般磁場轉(zhuǎn)化為高度局部化的電場，進(jìn)而激活神經(jīng)元，從而為治療性刺激提供了一個(gè)有希望的平臺，并最終將高保真信息傳輸?shù)酱竽X中。

由磁致伸縮相和壓電相制成的MENPs的材料和磁電特性證明了無線電場的產(chǎn)生。來源[1]

磁電納米粒子通過多層核殼設(shè)計(jì)發(fā)揮作用，由覆蓋有壓電殼的磁限制核組成。在磁場存在的情況下，磁芯變形，這反過來又使外殼變形，并通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生局部電場。這種效果的效率可以通過改變粒子的大小、形狀、組成和層耦合來調(diào)整。

已有多個(gè)研究小組將這些材料植入小鼠和靈長類動物的大腦。Kozielski和Anikeeva在Rotorod測試、三箱測試和旋轉(zhuǎn)測試中，對野生型小鼠進(jìn)行了深度腦刺激，結(jié)果與植入電極相當(dāng)，且生物安全性更高。Khizroev和Kaushik證實(shí)，這些粒子能夠通過血腦屏障或鼻腔進(jìn)入大腦，并通過施加磁場在大腦中定位。

植入性腦刺激,來源[2]

這些研究都證明了這些材料在體外和體內(nèi)的生物相容性。因此，我們理想系統(tǒng)的所有組成部分都得到了驗(yàn)證；磁電納米粒子可以非手術(shù)方式進(jìn)入大腦，定位并安全有效地刺激關(guān)鍵區(qū)域。為了進(jìn)一步證明這一概念，還需要進(jìn)一步優(yōu)化這些材料的磁電效應(yīng)和生物相互作用的效率。所有的部分都已經(jīng)存在，所以現(xiàn)在是時(shí)候開始轉(zhuǎn)化研究，將這些材料引入腦機(jī)接口和更廣泛的生物電子醫(yī)學(xué)。

納米粒子神經(jīng)讀取

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中最重要的是未來腦機(jī)接口系統(tǒng)的雙向性。這可以通過植入的電極陣列來實(shí)現(xiàn)，但很難用完全非侵入性的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。使用納米粒子，神經(jīng)刺激比神經(jīng)讀取更直接，因?yàn)槭褂玫氖峭獠抗╇娦盘?。對于神?jīng)讀取，信號檢測方法要么必須非常精確，要么需要粒子在原位供電，以實(shí)現(xiàn)有效的信號轉(zhuǎn)換。這給設(shè)計(jì)帶來了重大挑戰(zhàn)，因此該領(lǐng)域還不夠成熟，但一些有趣的理論工作已經(jīng)發(fā)表，期待進(jìn)一步發(fā)展。

由于前面提到的能量限制，用納米粒子進(jìn)行神經(jīng)讀取的信號轉(zhuǎn)換機(jī)制必須具有極低的背景干擾。從實(shí)際的角度來看，最有前途的候選者是磁場和近紅外光。

從磁信號轉(zhuǎn)換的角度來看，磁粒子成像（MPI）是一種利用超順磁氧化鐵納米粒子的非線性磁化特性對神經(jīng)組織進(jìn)行動態(tài)成像的技術(shù)，包括神經(jīng)損傷和血流。

借助磁電納米粒子，MPI可以通過與神經(jīng)刺激相反的機(jī)制直接成像神經(jīng)活動：神經(jīng)活動引起的局部電場變化會改變粒子的形狀，從而改變其磁特性。Khizroev和Hai小組在模擬實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這些材料在真實(shí)的神經(jīng)電活動中以這種方式發(fā)揮作用的潛力，但尚未在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。這些理論成果很有前景，在體外和體內(nèi)驗(yàn)證以及MPI技術(shù)小型化后，磁電納米粒子可以作為雙向BCI的單組分天線。

用磁電納米粒子繪制大腦電場圖。來源[3]

組織透明的另一種選擇是近紅外光。在功能近紅外光譜（fNIRs）中，近紅外光通過血紅蛋白吸收來測量血流動力學(xué)活性，用于監(jiān)測神經(jīng)活動。該技術(shù)的主要限制是由于依賴流體運(yùn)動而缺乏時(shí)間分辨率。利用光直接讀取神經(jīng)活動已經(jīng)作為光遺傳學(xué)的一部分進(jìn)行了探索，這一領(lǐng)域已經(jīng)徹底改變了我們對大腦和神經(jīng)功能的理解，但作為一種翻譯BCI技術(shù)受到對主體基因改造的要求的限制。

在這里，納米顆?？赡転閷?shí)現(xiàn)更快形式的近紅外神經(jīng)活動成像提供了途徑。該領(lǐng)域的早期工作主要集中在電致變色量子點(diǎn)上，但對信噪比和材料毒性的擔(dān)憂限制了這種方法。使用等離子體金/PEDOT: PSS納米顆粒，Yanik小組在模擬中表明，在NIR-II區(qū)域（1000-1700 nm）可以獲得電致變色響應(yīng)，該區(qū)域的組織具有足夠的皮層成像透明度。

這種機(jī)制依賴于電致變色等離子體散射，因此，實(shí)際上是外部供電的。雖然這些結(jié)果，到目前為止，在計(jì)算機(jī)上，該小組已經(jīng)證明了在金/PEDOT: PSS表面上的類似效果，這使得心肌細(xì)胞電活動的亞細(xì)胞映射成為可能?？紤]到用納米顆粒記錄神經(jīng)活動的兩種潛在途徑，這一領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)成功可能有助于開啟腦機(jī)接口的新時(shí)代。

納米粒子技術(shù)在腦機(jī)接口中的應(yīng)用前景

毫無疑問，在未來的5-10年里，我們將看到越來越多的BCI和相關(guān)技術(shù)如何改變我們的生活方式的例子。每個(gè)月都會有新的植入腦機(jī)接口的患者，他們的能力得到恢復(fù)，生活質(zhì)量和獨(dú)立性得到改善。對于非侵入性方法，腦電圖和fNIR的新應(yīng)用正在不斷開發(fā)，將幫助我們優(yōu)化健康狀況，更早地發(fā)現(xiàn)和診斷疾病。

然而，在這期間，腦機(jī)接口想要被廣泛采用將需要在其基本機(jī)制上取得根本性的進(jìn)步，并開發(fā)在有限安裝的情況下在大腦和機(jī)器之間提供高保真信息傳輸?shù)募夹g(shù)。納米粒子技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)這一未來，并將腦機(jī)接口的無限可能性帶入日常生活。

By Alexandra Karpman, Scott Meek and Uri Magaram

[1] NONRESONANT POWERING OF INJECTABLE NANOELECTRODES ENABLES WIRELESS DEEP BRAIN STIMULATION IN FREELY MOVING MICE

[2 ] Kujawska, Ma?gorzata*; Kaushik, Ajeet*. Exploring magneto-electric nanoparticles (MENPs): a platform for implanted deep brain stimulation. Neura l Regeneration Research 18(1):p 129-130, January 2023. | DOI: 10.4103/1673-5374.340411

[3] Guduru, R., Liang, P., Yousef, M. et al. Mapping the Brain’s electric fields with Magnetoelectric nanoparticles. Bioelectron Med 4, 10 (2018). https://doi.org/10.1186/s42234-018-0012-9

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