超低功率脑植入物在灰质噪声中发现有意义的信号

密歇根大学(University Of Michigan)的研究人员通过调谐到脑电波的子集，大幅降低了神经接口的电力需求，同时提高了它们的准确性-这一发现可能导致长期的大脑植入，既可以治疗神经系统疾病，又可以实现精神控制的假肢和机器。

由机器人研究所生物医学工程副教授兼核心教师辛西娅·切斯特克(Cynthia Chestek)领导的团队估计，通过使用他们的方法，神经接口的功耗可以降低90%。

该研究的第一作者、切斯特克皮质神经假体实验室的博士生塞缪尔·纳森(Samuel Nason)说：“目前，将大脑信号解读为某人的意图需要和人一样高的电脑和大量的电力--相当于几个汽车电池。”“将电量降低一个数量级，最终将实现家用脑机接口。”

神经元，我们大脑中传递信息和在身体各处活动的细胞，是噪音的传输者。用来收集神经元数据的计算机和电极正在收听卡在两个台站之间的无线电。他们必须在大脑的嗡嗡声中破译实际内容。使这项任务变得复杂的是，大脑是这些数据的消防管，它增加了能量和处理能力，超出了安全的植入式设备的限制。

目前，为了预测复杂的行为，比如从神经元活动中抓住手中的物品，科学家可以使用经皮电极，或者直接通过皮肤连接到大脑。这可以用每秒捕获2万个信号的100个电极来实现，并能够实现一些壮举，比如重新启用瘫痪的手臂，或者让拥有假手的人感觉到物体的硬或软。但是，这种方法不仅在实验室环境之外是不切实际的，而且还存在感染的风险。

一些无线植入物使用高效的专用集成电路制造，可以实现与经皮系统几乎相同的性能。这些芯片每秒可以收集和传输大约16,000个信号。然而，它们还没有实现一致的操作，与工业制造的芯片相比，它们的定制性质是获得批准作为安全植入物的障碍。

“这是一个很大的飞跃，”切斯特克说。“考虑到现有起搏器式设备的电源供应，要想无线传输我们目前脑机接口所需的高带宽信号是完全不可能的。”

为了减少电力和数据需求，研究人员压缩了大脑信号。专注于超过一定功率阈值的神经活动尖峰，称为阈值交叉率或TCR，意味着需要处理的数据更少，同时仍然能够预测放电神经元。然而，TCR需要聆听神经元活动的全部消防管，以确定何时超过阈值，而且阈值本身不仅可以从一个大脑改变到另一个大脑，而且可以在不同的日期在同一个大脑中改变。这需要调整阈值，以及额外的硬件、电池和执行此操作的时间。

通过用另一种方式压缩数据，切斯特克的实验室深入研究了神经元数据的一个特定特征：尖峰带功率。SBP是一组来自多个神经元的综合频率，介于300至1,000 Hz之间。通过只听这个频率范围而忽略其他频率，从吸管而不是软管中获取数据，研究小组发现了对行为的高度准确的预测，而电力需求明显较低。

研究小组发现，与经皮系统相比，SBP技术同样准确，同时接收的信号是每秒2000个信号的十分之一，而不是20000个信号。与使用阈值交叉率等其他方法相比，该团队的方法不仅需要更少的原始数据，而且即使在噪音中预测神经元放电也更准确，而且不需要调整阈值。

该团队的SBP方法解决了另一个限制植入物使用寿命的问题。随着时间的推移，接口的电极无法读取噪声中的信号。然而，由于这项技术在信号是其他技术(如阈值穿越)所需信号的一半时表现得同样好，因此植入物可以留在原位并使用更长时间。

虽然可以开发新的脑机接口来利用团队的方法，但他们的工作也通过减少将神经元转化为意图的技术要求，为许多现有设备释放了新的功能。

“事实证明，许多设备一直在卖空自己，”纳森说。这些现有的电路使用相同的带宽和功率，现在适用于整个脑机接口领域。

这项研究发表在“自然生物医学工程”(Nature Biomedical Engineering)上，题为“由局部单个单位主导的神经元放电活动的低功率带改善了脑机接口的性能”。

这项研究得到了国家科学基金会拨款1926576，克雷格·H·尼尔森基金会项目315108，A.Alfred Taubman医学研究所，美国国立卫生研究院R01GM111293，R21EY029452和F31HD09880，以及MCubed的支持。