美國研發(fā)可將大腦活動轉換為可探測的光信號的粒子傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，通過非侵入性監(jiān)測神經(jīng)元活動的技術，科學家無需手術植入器件就可以對大腦活動進行研究。這種新型納米粒子傳感器被稱作NeuroSWARM3，由加州大學圣克魯茲分校(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的橋梁。

“NeuroSWARM3可以將思想(大腦信號)轉換為可遠程監(jiān)測的信號，用于高精度腦機接口?！盇li Yanik教授說，“它將使殘障人士實現(xiàn)與外界的有效互動，并幫助他們通過控制可穿戴外骨骼技術來克服身體障礙。它還可以捕捉到神經(jīng)疾病的早期癥狀?！?/p>

NeuroSWARM3(用于大規(guī)模多路復用測量的神經(jīng)光子溶液可分散活動無線記錄器)，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轉換為可被體外光學探測器跟蹤的光信號。這種“納米粒子傳感器”的大小與病毒粒子相似，在一個系統(tǒng)中涵蓋了無線供電、電生理信號檢測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

為了實現(xiàn)對大腦活動的非接觸式測量，構成NeuroSWARM3的納米粒子被注入血流或直接注入腦脊液。進入大腦的納米粒子，對電場的局部變化高度敏感，并且可無限期地發(fā)揮作用，無需電源或電線供電。

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，使其能順利穿過血腦屏障。進而使用波長在1000 nm到1700 nm間的近紅外光檢測由納米粒子產生的光信號。

實驗表明，NeuroSWARM3體外原型的信噪比可以超過1000——這一靈敏度水平足以檢測單個神經(jīng)元放電時產生的電信號。

研究人員將NeuroSWARM3與反向操作的納米級電致變色負載等離子體(電等離子體)天線進行對比。它的光學特性由其附近細胞的尖峰電位調節(jié)，而不是預先設定的電壓。

“我們率先將電致變色聚合物(如PEDOT:PSS)用于電生理信號的光學、無線檢測。”Yanik說，“電致變色材料因其在外加電場作用下可逆調制的光學特性而被人們熟知，其通常用于智能玻璃、智能鏡子等應用領域?！?/p>

盡管有其它方法可跟蹤腦電活動，但大部分需要手術或植入器件，以穿透顱骨，直接與神經(jīng)元連接。

與NeuroSWARM3類似的方法是通過量子點使電場做出反應。當加州大學圣克魯茲分校的研究人員比較這兩種技術時，他們發(fā)現(xiàn)NeuroSWARM3產生的光信號比量子點技術大4個數(shù)量級，而量子點需要10倍以上的光強度和100倍以上的探針才能產生等效的光信號。

“這項新技術尚處于起步階段，但我認為我們已經(jīng)有了良好的基礎?！盰anik說，“我們的下一個目標是在動物身上開始該項實驗?！?/p>

研究人員在虛擬OSA光學傳感器與傳感大會(OSA Optical Sensors and Sensing Congress)上展示了NeuroSWARM3。