石墨烯與磁學(xué)在大腦中的應用：生物電子腦植入物的研究

隨著(zhù)電子學(xué)和生物學(xué)之間的差距越來(lái)越小，越來(lái)越多的設備正在被研究。最近，一個(gè)焦點(diǎn)是生物電子學(xué)，即大腦的植入物。

最近，人們對生物電子學(xué)的研究領(lǐng)域，即植入物的研究領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣。因為大腦一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著(zhù)我們的技術(shù)在生物系統中找到能力和應用，現在可能是解開(kāi)大腦秘密的時(shí)候了。

一個(gè)用于擾亂生物學(xué)和電子學(xué)的高級框架。

一個(gè)用于擾亂生物學(xué)和電子學(xué)的高級框架。圖片由Teo等人提供

對這股興趣洪流的另一個(gè)關(guān)鍵見(jiàn)解是，如何利用電子硬件研究大腦，同時(shí)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(kāi)發(fā)的用于大腦接口的硬件，以及縮小生物學(xué)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(guò)技術(shù)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(kāi)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)系統疾病的患者提供個(gè)性化治療。

INBRAIN的解決方案和其他神經(jīng)植入物之間的關(guān)鍵區別在于它使用石墨烯，而大多數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(huì )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(méi)有這些相同的局限性，因為它可以在納米級制造，未來(lái)最終達到單個(gè)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(wú)線(xiàn)充電更加安全。

然后，這些石墨烯植入物使用人工智能來(lái)學(xué)習大腦的功能，使其能夠向大腦發(fā)送個(gè)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控和數據處理。

INBRAIN設計的另一個(gè)新穎方面是它能夠在從極低（~10 Hz）到高頻的寬頻帶內測量腦電波。這個(gè)極低的區域在過(guò)去再次避開(kāi)了傳感器，因為之前的大多數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Graphene Flagship的說(shuō)法，這種低頻大腦活動(dòng)往往決定了高頻的行為，因此讀取這個(gè)頻帶可以解碼患者的大腦狀態(tài)。此外，在大鼠身上測試時(shí)，這種植入物沒(méi)有兼容性問(wèn)題，因為高頻和低頻活動(dòng)之間存在很好的相關(guān)性。

在獲得陽(yáng)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(xué)中使用石墨烯只是正在研究的許多想法中的一個(gè)，但另一個(gè)想法側重于磁體在生物電學(xué)中的作用。

萊斯大學(xué)的MagNI：用磁鐵給植入物充電

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

萊斯大學(xué)的MagNI。

萊斯大學(xué)的MagNI。圖片由萊斯大學(xué)提供

該設備允許通過(guò)可穿戴帶產(chǎn)生的磁場(chǎng)對植入物進(jìn)行充電和編程。它使用磁電傳感器來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，因為它可以在身體外部收集交變磁場(chǎng)，因為身體不會(huì )吸收磁場(chǎng)或從磁場(chǎng)中加熱。

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

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

盡管在開(kāi)發(fā)這種生物電子設備方面遇到了挫折，但隨著(zhù)更多的進(jìn)步和研究取得成果，生物學(xué)和電子學(xué)的世界正在穩步縮小。

彌合差距？

這些應用的跨學(xué)科興趣也正在進(jìn)入課堂，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應用科學(xué)學(xué)院開(kāi)設了一門(mén)新課程，生物電子學(xué)導論（BE 129）。

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

雖然生物電子學(xué)領(lǐng)域始于18世紀中葉，但大腦功能等問(wèn)題仍然是個(gè)謎。本課程旨在培養下一代解決這些期待已久的問(wèn)題，即利用技術(shù)。

最后的想法

總的來(lái)說(shuō)，生物電子學(xué)是一個(gè)研究人員和工程師都有機會(huì )的成熟領(lǐng)域。盡管我們的身體內還有很多東西需要學(xué)習和解鎖，這些問(wèn)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。