石墨烯與磁學在大腦中的應用：生物電子腦植入物的研究

隨著電子學和生物學之間的差距越來越小，越來越多的設備正在被研究。最近，一個焦點是生物電子學，即大腦的植入物。

最近，人們對生物電子學的研究領域，即植入物的研究領域產(chǎn)生了濃厚的興趣。因為大腦一直是研究人員關注的焦點。隨著我們的技術在生物系統(tǒng)中找到能力和應用，現(xiàn)在可能是解開大腦秘密的時候了。

一個用于擾亂生物學和電子學的高級框架。

一個用于擾亂生物學和電子學的高級框架。圖片由Teo等人提供

對這股興趣洪流的另一個關鍵見解是，如何利用電子硬件研究大腦，同時為帕金森氏癥等腦部疾病找到治療方案。

本文將討論正在開發(fā)的用于大腦接口的硬件，以及縮小生物學和電氣工程之間差距的前景。

石墨烯在神經(jīng)植入物中的應用

一家試圖通過技術找到大腦疾病解決方案的公司是石墨烯旗艦公司的一家分拆公司，名為INBRAIN Neuroelectronics。

INBRAIN正在開發(fā)基于石墨烯的神經(jīng)植入物，可以為患有癲癇、帕金森氏癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者提供個性化治療。

INBRAIN的解決方案和其他神經(jīng)植入物之間的關鍵區(qū)別在于它使用石墨烯，而大多數(shù)競爭對手的大腦接口都是基于金屬，通常是鉑和銥。不幸的是，這些金屬會導致尺寸和信號分辨率的限制，導致患者50%的排斥率。

INBRAIN原型的表面積。

INBRAIN原型的表面積。圖片由Garcia Cortadella等人提供

與這些金屬不同，石墨烯沒有這些相同的局限性，因為它可以在納米級制造，未來最終達到單個神經(jīng)元的分辨率。此外，石墨烯具有生物相容性、輕質(zhì)性和高導電性，使植入和無線充電更加安全。

然后，這些石墨烯植入物使用人工智能來學習大腦的功能，使其能夠向大腦發(fā)送個性化的適應性反應。雖然這可以自主發(fā)生，但植入物可以允許遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。

INBRAIN設計的另一個新穎方面是它能夠在從極低（~10 Hz）到高頻的寬頻帶內(nèi)測量腦電波。這個極低的區(qū)域在過去再次避開了傳感器，因為之前的大多數(shù)植入物都使用了不兼容的金屬。

INBRAIN設備的電路原理圖。

INBRAIN設備的電路原理圖。圖片由Garcia Cortadella等人提供

根據(jù)Graphene Flagship的說法，這種低頻大腦活動往往決定了高頻的行為，因此讀取這個頻帶可以解碼患者的大腦狀態(tài)。此外，在大鼠身上測試時，這種植入物沒有兼容性問題，因為高頻和低頻活動之間存在很好的相關性。

在獲得陽性測試結果后，該團隊尋找商業(yè)應用，將這種植入物推向世界。

盡管在生物電子學中使用石墨烯只是正在研究的許多想法中的一個，但另一個想法側(cè)重于磁體在生物電學中的作用。

萊斯大學的MagNI：用磁鐵給植入物充電

萊斯大學的研究人員也在這一領域進行創(chuàng)新，一個工程團隊設計了一種磁電神經(jīng)植入物。

萊斯大學的MagNI。

萊斯大學的MagNI。圖片由萊斯大學提供

該設備允許通過可穿戴帶產(chǎn)生的磁場對植入物進行充電和編程。它使用磁電傳感器來實現(xiàn)這一點，因為它可以在身體外部收集交變磁場，因為身體不會吸收磁場或從磁場中加熱。

MagNI允許對神經(jīng)元進行程序化電刺激，可以幫助神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者。該設備非常緊湊，只需要三個位于柔性聚酰亞胺基板上的組件，一個將磁場轉(zhuǎn)換為電場的2x4毫米磁電薄膜，一個CMOS芯片和一個用于臨時儲能的電容器。

目前，研究團隊正試圖在設備內(nèi)實現(xiàn)能量和信息的雙向流動，而不是目前能量只能流入設備的方式。

盡管在開發(fā)這種生物電子設備方面遇到了挫折，但隨著更多的進步和研究取得成果，生物學和電子學的世界正在穩(wěn)步縮小。

彌合差距？

這些應用的跨學科興趣也正在進入課堂，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院開設了一門新課程，生物電子學導論（BE 129）。

據(jù)哈佛大學介紹，本課程介紹了該領域提供的挑戰(zhàn)和令人興奮的應用，并根據(jù)在該領域有效工作所需的廣泛知識為學生做好準備。

雖然生物電子學領域始于18世紀中葉，但大腦功能等問題仍然是個謎。本課程旨在培養(yǎng)下一代解決這些期待已久的問題，即利用技術。

最后的想法

總的來說，生物電子學是一個研究人員和工程師都有機會的成熟領域。盡管我們的身體內(nèi)還有很多東西需要學習和解鎖，這些問題也在不斷得到解決，但更多的治療方法和用電子設備幫助他人成為可能。