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美国研发可将大脑活动转换为可探测的光信号的粒子传感器

更新时间:2021-08-01 00:00:00人气:49

据麦姆斯咨询报道,通过非侵入性监测神经元活动的技术,科学家无需手术植入器件就可以对大脑活动进行研究。这种新型纳米粒子传感器被称作NeuroSWARM3,由加州大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz,UCSC)发明,它甚至可以为残障人士搭建有效沟通和互动的桥梁。

“NeuroSWARM3可以将思想(大脑信号)转换为可远程监测的信号,用于高精度脑机接口。”Ali Yanik教授说,“它将使残障人士实现与外界的有效互动,并帮助他们通过控制可穿戴外骨骼技术来克服身体障碍。它还可以捕捉到神经疾病的早期症状。”

NeuroSWARM3(用于大规模多路复用测量的神经光子溶液可分散活动无线记录器),由改造的电等离子体纳米粒子组成,该类纳米粒子可将大脑中的电信号转换为可被体外光学探测器跟踪的光信号。这种“纳米粒子传感器”的大小与病毒粒子相似,在一个系统中涵盖了无线供电、电生理信号检测和数据传输等功能。

为了实现对大脑活动的非接触式测量,构成NeuroSWARM3的纳米粒子被注入血流或直接注入脑脊液。进入大脑的纳米粒子,对电场的局部变化高度敏感,并且可无限期地发挥作用,无需电源或电线供电。

这种纳米粒子由直径为63 nm的二氧化硅(SiO2)核外附电致变色聚合物(3, 4-亚乙基二氧噻吩)薄层组成。用5 nm厚的金涂层覆盖纳米粒子,使其能顺利穿过血脑屏障。进而使用波长在1000 nm到1700 nm间的近红外光检测由纳米粒子产生的光信号。

实验表明,NeuroSWARM3体外原型的信噪比可以超过1000——这一灵敏度水平足以检测单个神经元放电时产生的电信号。

研究人员将NeuroSWARM3与反向操作的纳米级电致变色负载等离子体(电等离子体)天线进行对比。它的光学特性由其附近细胞的尖峰电位调节,而不是预先设定的电压。

“我们率先将电致变色聚合物(如PEDOT:PSS)用于电生理信号的光学、无线检测。”Yanik说,“电致变色材料因其在外加电场作用下可逆调制的光学特性而被人们熟知,其通常用于智能玻璃、智能镜子等应用领域。”

尽管有其它方法可跟踪脑电活动,但大部分需要手术或植入器件,以穿透颅骨,直接与神经元连接。

与NeuroSWARM3类似的方法是通过量子点使电场做出反应。当加州大学圣克鲁兹分校的研究人员比较这两种技术时,他们发现NeuroSWARM3产生的光信号比量子点技术大4个数量级,而量子点需要10倍以上的光强度和100倍以上的探针才能产生等效的光信号。

“这项新技术尚处于起步阶段,但我认为我们已经有了良好的基础。”Yanik说,“我们的下一个目标是在动物身上开始该项实验。”

研究人员在虚拟OSA光学传感器与传感大会上展示了NeuroSWARM3。

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