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閱讀：58發(fā)布時(shí)間：2021-11-23
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，通過(guò)非侵入性監(jiān)測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)的技術(shù)，科學(xué)家無(wú)需手術(shù)植入器件就可以對(duì)大腦活動(dòng)進(jìn)行研究。這種新型納米粒子傳感器被稱作NeuroSWARM3，由加州大學(xué)圣克魯茲分校(University of California, Santa Cruz，UCSC)發(fā)明，它甚至可以為殘障人士搭建有效溝通和互動(dòng)的橋梁。
“NeuroSWARM3可以將思想(大腦信號(hào))轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的信號(hào)，用于高精度腦機(jī)接口。"Ali Yanik教授說(shuō)，“它將使殘障人士實(shí)現(xiàn)與外界的有效互動(dòng)，并幫助他們通過(guò)控制可穿戴外骨骼技術(shù)來(lái)克服身體障礙。它還可以捕捉到神經(jīng)疾病的早期癥狀。"
NeuroSWARM3(用于大規(guī)模多路復(fù)用測(cè)量的神經(jīng)光子溶液可分散活動(dòng)無(wú)線記錄器)，由改造的電等離子體納米粒子組成，該類納米粒子可將大腦中的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被體外光學(xué)探測(cè)器跟蹤的光信號(hào)。這種“納米粒子傳感器"的大小與病毒粒子相似，在一個(gè)系統(tǒng)中涵蓋了無(wú)線供電、電生理信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/span>
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦活動(dòng)的非接觸式測(cè)量，構(gòu)成NeuroSWARM3的納米粒子被注入血流或直接注入腦脊液。進(jìn)入大腦的納米粒子，對(duì)電場(chǎng)的局部變化高度敏感，并且可無(wú)限期地發(fā)揮作用，無(wú)需電源或電線供電。
這種納米粒子由直徑為63 nm的二氧化硅(SiO2)核外附電致變色聚合物(3, 4-亞乙基二氧噻吩)薄層組成。用5 nm厚的金涂層覆蓋納米粒子，使其能順利穿過(guò)血腦屏障。進(jìn)而使用波長(zhǎng)在1000 nm到1700 nm間的近紅外光檢測(cè)由納米粒子產(chǎn)生的光信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)表明，NeuroSWARM3體外原型的信噪比可以超過(guò)1000——這一靈敏度水平足以檢測(cè)單個(gè)神經(jīng)元放電時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)。
研究人員將NeuroSWARM3與反向操作的納米級(jí)電致變色負(fù)載等離子體(電等離子體)天線進(jìn)行對(duì)比。它的光學(xué)特性由其附近細(xì)胞的尖峰電位調(diào)節(jié)，而不是預(yù)先設(shè)定的電壓。
“我們將電致變色聚合物(如PEDOT:PSS)用于電生理信號(hào)的光學(xué)、無(wú)線檢測(cè)。"Yanik說(shuō)，“電致變色材料因其在外加電場(chǎng)作用下可逆調(diào)制的光學(xué)特性而被人們熟知，其通常用于智能玻璃、智能鏡子等應(yīng)用領(lǐng)域。"
盡管有其它方法可跟蹤腦電活動(dòng)，但大部分需要手術(shù)或植入器件，以穿透顱骨，直接與神經(jīng)元連接。
與NeuroSWARM3類似的方法是通過(guò)量子點(diǎn)使電場(chǎng)做出反應(yīng)。當(dāng)加州大學(xué)圣克魯茲分校的研究人員比較這兩種技術(shù)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)NeuroSWARM3產(chǎn)生的光信號(hào)比量子點(diǎn)技術(shù)大4個(gè)數(shù)量級(jí)，而量子點(diǎn)需要10倍以上的光強(qiáng)度和100倍以上的探針才能產(chǎn)生等效的光信號(hào)。
“這項(xiàng)新技術(shù)尚處于起步階段，但我認(rèn)為我們已經(jīng)有了良好的基礎(chǔ)。"Yanik說(shuō)，“我們的下一個(gè)目標(biāo)是在動(dòng)物身上開(kāi)始該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。"
研究人員在虛擬OSA光學(xué)傳感器與傳感大會(huì)(OSA Optical Sensors and Sensing Congress)上展示了NeuroSWARM3。
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