悉尼新南威尔士大学的生物医学和电气工程师开发了一种使用光而不是电来测量神经活动的新方法，这可能会导致对神经操纵假肢和脑机接口等医疗技术的彻底重新构想。

新南威尔士大学电气工程与电信学院的FrançoisLadouceur教授说，这个多学科团队刚刚在实验室展示了在大流行前不久从理论上证明的事情：使用液晶和集成光学技术构建的传感器——被称为“光极”——可以记录活体动物体内的神经冲动。

Ladouceur教授说，这些光极不仅性能与传统电极一样好——传统电极使用电来检测神经冲动——而且它们还解决了“竞争技术无法解决的非常棘手的问题”。

“首先，使用传统电极很难缩小接口的尺寸，以至于成千上万的电极可以连接到非常小区域内的数千条神经。

“当你缩小数千个电极并将它们放在一起以连接到生物组织时，其中一个问题是它们的个体电阻增加，这会降低信噪比，因此我们在读取信号时遇到了问题。我们称之为“阻抗失配”。

“另一个问题是我们所说的‘串扰’——当你收缩这些电极并将它们靠得更近时，它们就会开始交谈，或者因为它们很接近而相互影响。”

“我们方法的真正优势在于，我们可以使这种连接在光域中变得非常密集，而且我们不会付出在电学域中必须付出的代价，”Ladouceur教授说。

在最近发表在《神经工程杂志》上的研究中，新南威尔士大学的Ladouceur教授和其他研究人员希望表明，他们可以使用光极来准确测量活体动物体内沿着神经纤维传播的神经冲动。

Scientia教授NigelLovell是生物医学工程研究生院的负责人，也是TyreeFoundation健康工程研究所所长，他是试图在实验室中证明这一点的研究团队的一员。

他说，该团队将光极连接到麻醉动物的坐骨神经上。然后用小电流刺激神经，并用光极记录神经信号。然后他们使用传统电极和生物放大器做了同样的事情。

“我们证明了神经反应本质上是相同的，”洛弗尔教授说。“光学技术中仍然存在更多噪音，但这并不奇怪，因为这是一项全新的技术，我们可以在这方面努力。但最终，我们可以通过电学或光学测量来识别相同的特征。”

假肢的新曙光

到目前为止，该团队已经能够证明神经冲动——相对较弱，以微伏为单位测量——可以通过光极技术记录下来。下一步将是增加光极的数量，以便能够处理复杂的神经和兴奋组织网络。

Ladouceur教授说，在项目开始时，他的同事问自己，一个男人或女人需要多少神经连接才能以一定程度的技巧操作一只手?

“你可以拿起一个物体，你可以判断摩擦力，你可以施加恰到好处的压力来握住它，你可以精确地从A移动到B，你可以快或慢——所有这些我们都没有甚至想一想我们何时执行这些操作。答案不是那么明显，我们不得不在文献中进行大量搜索，但我们相信大约有5000到10,000个连接。”

换句话说，在你的大脑和你的手之间有一束神经，它们从你的皮层向下传播，最终分成5000到10,000条控制手部精细操作的神经。

如果具有数千个光学连接的芯片可以连接到您的大脑，或者在神经束分离之前连接到手臂中的某个位置，那么假手可能具有与生物手几乎相同的功能。

无论如何，这就是梦想，Ladouceur教授说，在它成为现实之前，可能还需要几十年的进一步研究。这将包括开发光极的双向能力。他们不仅会接收和解释从大脑传到身体的信号，他们还可以接收反馈到大脑的神经冲动形式的反馈。

持久战：脑机接口

神经假肢并不是光极技术有可能重新定义的唯一领域。长期以来，人类一直幻想着将技术和机械融入人体，以修复或增强人体。

其中一些现在已成为现实，例如人工耳蜗、起搏器和心脏除颤器，更不用说智能手表和其他提供持续生物反馈的跟踪设备了。

但生物医学工程和神经科学中更雄心勃勃的目标之一是脑机接口，旨在将大脑不仅连接到身体的其他部分，而且还可能连接到整个世界。

“神经接口领域是一个令人难以置信的令人兴奋的领域，将成为未来十年深入研究和开发的主题，”Lovell教授说。

虽然现在这与其说是事实，不如说是虚构的，但有许多生物技术公司非常重视这一点。企业家埃隆·马斯克(ElonMusk)是Neuralink的联合创始人之一，该公司旨在创建脑机接口，有可能帮助瘫痪患者并将人工智能融入我们的大脑活动。

Neuralink方法在其设备中使用传统的线电极，因此如果他们要开发在大脑和植入设备之间承载数千甚至数百万个连接的设备，它必须克服阻抗失配和串扰等许多其他挑战。最近有报道称，马斯克先生对这项技术开发的缓慢步伐感到沮丧。

Ladouceur教授表示，时间将证明Neuralink及其竞争对手是否成功消除了这些障碍。然而，考虑到捕获神经活动的植入式体内设备目前仅限于大约100个电极，还有很长的路要走。

“我并不是说这是不可能的，但如果你坚持使用标准电极，它就会变得非常有问题，”Ladouceur教授说。

“我们在光学领域没有这些问题。在我们的设备中，如果存在神经活动，它的存在会影响液晶的方向，我们可以通过将光照射在液晶上来检测和量化它。这意味着我们不像线电极那样从生物组织中提取电流。因此，生物传感可以更有效地完成。”

既然研究人员已经证明optrode方法在体内有效，他们将很快发表研究表明optrode技术是双向的——它不仅可以读取神经信号，还可以写入它们。