丨neural dust（神经尘埃）

neural dust（神经尘埃）是由加利福尼亚大学伯克利分校的科学家制造的每个大约长3毫米、高1毫米和厚4/5毫米。每个神经尘埃微粒具有一个能把从身体之外广播的超声波脉冲机械能转换成电力的压电晶体。来自这些每秒广播60次的超声波脉冲的能量驱动传感器和这个颗粒上的其它电子产品。

"神经尘埃"作为无线供电的植入大脑芯片，这类研究可能有一天用于下一代的控制假肢、外骨骼和机器人以及大脑-机器接口来治疗大脑和身体的疾病。

neural dust技术是从无线供能的角度出发研发的一种神经遥感技术。基本策略是从体外利用无线传输的能量给体内植入的神经信号放大器供能，并且放大后的信号可以反向传出来。neural dust研发团队是在电磁波供能和超声波供能中做了取舍。通过电磁耦合无线给手机供能现在已经比较普遍，但是脑组织内的植入物因安全原因需要小于1毫米。在微米尺度下，电磁波接收天线的共振耦合频率在生物组织中能量衰减很快，很大部分输入能量都会转化为热能。较长时间使用的话，很有可能造成生物组织烧伤。鉴于此，他们最终选择了在液态环境下损耗率低的超声波给神经信号放大器供能，并且使用压电材料将超声波的机械能转变成电能。

解决了供能，接下来信号感应和放大用到了场效应三级管放大器的原理。简单来说，就是把场效应管的门极贴近神经元，用神经元的放电状态控制场效应管两端的电流导通量。场效应管两端分别连接在压电晶体的两极，它们的电势差就是由超声发来的机械能转换的。神经元产生1毫伏的电压就可以控制压电晶体两端几十毫伏的电压变化，也就是神经信号被放大了。此时，这个压电晶体两极的电压就随时反映着神经元的放电状态。

neural dust 的结构设计

将放大的电信号传输出来的方法是neural dust设计上最独到的特点。因为压电晶体具有把接收的超声波反射一部分回去的性质。当它把一部分机械能变成电能的同时，也会把一部分机械能直接反传回去。当变成电能的部分能量被三极管控制释放时，就会同步影响分配给反传的机械能部分的比例。这样，只要在体外检测压电晶体反传回来的机械波就能重建被感应神经元的电活动了，并不需要 neural dust 向体外专门发射信号。

贴敷在坐骨神经上的 neural dust 与体外超声发收装置交互信号

简单的讲，neural dust 本身就是一个在体内植入的对神经信号进行采集、放大和转发一体化的器件，主要包括压电晶体和三极管。省去了专门的无线信号收发装置，它的电路就可以很简单，有比较大的潜力做到几十微米的大小。但目前文献报道的体积还比较大，有几个毫米，只能固定在坐骨神经上。所以只能期待它的升级版本出现，因为只有收缩到几十微米大小才可能植入到脑内。

和neural dust 配合的超声发收装置是布置在体外的。发射超声就是前边讲的用压电材料把超声变成电能的反向操作，用高频交变电场驱动压电器件产生超声。neural dust团队现在展示的超声发收装置个头还比较大，但完全可以做的小一点。因为超声发收装置可以放置在颅骨外边（比如放在头皮下），甚至是脑皮层外，并不植入神经组织，就没必要做的太小了，保证供能可能更重要。

如果把超声发收装置也植在体内，比如头皮下，颅骨外，那么就有新问题了，怎么给超声发收装置无线供能和通信呢？前面已经介绍过，把神经信号从脑内读出来是最难的，因为信号弱，传感器也要够小。这块是脑遥感硬件的核心技术。只要信号能成功取出来发到颅骨外，后边就没多大挑战了。可以用各种传统的无线供能和信号传输技术来做信号和能量中继器，跟用手机没多大差别了。以此来看，积极围绕脑遥感的核心技术要求想办法，会有很多可行的方案等待发掘。

neural  dust 应用于脑内神经信号采集的概念设想图

作为neural dust技术的旁观者，我也顺便提一些个人看法。在脑组织内植入神经传感器能获得高精度神经信号，需要传感器体积够小，外壳材料要有很高的生物相容性，才能在脑组织内长期起效。这些都是neural dust 正在努力的目标，也是所有脑植入装置的共同目标。如上图所示的植入脑组织中的 neural dust 和脑组织外的收发器利用超声波对神经信号进行无线转发，是很赞的想法，但效果有待考证。还有一些脑神经遥控和遥感技术所面临的挑战，比如：

• 目前展示的毫米级器件可以在保证通信功能的情况下最小能缩微到多小，比如小于10微米？
• 最小尺寸器件被胶质细胞包裹而失去神经信号感应功能的概率有多大？如何继续提高生物亲和性？
• 失去功能的器件是否有必要取出，以及怎样的取出方案？
• 相对传统的有线电极，深脑区的神经信号采集将会是 neural dust 最大的优势，因为它可能避免从深脑的信号记录区到脑皮层外信号采集装置间长长的信号线，从而大幅降低神经损伤范围。但在距离颅骨深度几个厘米及以上的深脑区，微米级的neural dust 能否保证这么长的通信行程？如果需要扩大体积，生物相容性会降低，如何平衡？
• 在脑皮层等和颅骨距离较近的脑区内，植入无线通信的 neural dust 和极细（直径10微米之内）的柔性有线电极相比有没有操作和成本上的优势？

下面简单谈谈脑机接口技术。脑机接口实际上研究历史也不算短了，至少从上世纪70年代就开始了。它的狭义定义就是帮助恢复视力、听力、运动力的神经假肢，也可以说就是神经信号的读写技术。最常见和最成功的应用是采集肌电信号，经过转码，控制机械假肢。采集脑神经信号控制假肢比较难。一类是颅外采集脑电信号。这类方法由于颅骨的低通滤波性质，导致信息损失大，不足以精确解码，可以算作娱乐级技术。另一类是用脑内植入的电极采集精确的神经信号。采集的神经信号越多，解码越容易，但是对脑组织损伤也越大，而且由于脑组织对电极的排异反应，采集的神经信号的质量也会逐渐降低。由于前面这几十年在神经信号采集技术方面没什么大进展，人用可植入记录电极，FDA只批准了犹他电极阵列。所以这个阶段脑机接口的研究内容基本限定在神经信息解码方面。无论用人或者猴子来研究，行动控制都涉及了大量脑神经元的高维信息表征等智能因素，而且脑神经通过可塑性表现的学习能力，更复杂化了神经实时解码技术。

近几年来，随着纳米材料科学的发展以及微纳器件加工技术的成熟，以神经记录电极为代表的神经（电子）界面技术开始快速发展。为了和传统的以神经解码为主的脑机接口研究区别，器件类研究命名为神经界面技术，就是通过这个界面读写神经信息。这里强调界面这个词，而不是简单的说电极。一是因为把神经元和电极的交互关系作为研究核心。通过研究发现，超细超柔的，也就是和神经元物理上越接近的电极效果越好。二是和神经元交互信息的方式趋于多元化，不仅限于用电极做电化学接触。比如采用光遗传技术，以及利用瞬间热效应。三是采集神经信息和传递刺激能量的方式不再只用导线。通过无线换能的微纳器件登场，比如超声-电转换的neural dust和光电光热方法。四是神经成像方法，通过与神经活动偶联的荧光蛋白或是纳米荧光颗粒进行成像，解析出神经元的活动。目前，神经信号读写技术呈现多模态趋势。从技术成熟度讲，柔性导线电极 > 神经成像 > 换能微器件。导线电极在较浅的脑皮层内使用比较理想，信噪比高，脑损伤也不严重；神经成像在成像面内可以收集所有神经元的活动信号，但信噪比还有待提高。这两种技术做深脑区的话，由于需要植入专门的电和光信号导体，脑损伤会增大。针对这个不足，植入无线换能微器件可以取消专用信号导体，可能最大程度的降低脑损伤。以上这些技术还都处于动物测试的实验室阶段。外周神经没有中枢神经这么娇气，没有颅骨保护，神经植入的技术门槛比较低，实用化会比较快。比如人工视网膜和人工耳蜗这两年就有了不少新成果。

美国国防高级研究计划署（DARPA）刚提出了 Next generation Non-surgical Neural interface (N3) 计划，发展无需手术即可向脑内植入功能性神经界面的技术。要实现这一目标，采用微纳器件，无线换能是必须的。如果能轻松穿越血脑屏障那更是完美。

作者：李骁健   美国西北大学芬博格医学院生理学系

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