新南威爾士大學悉尼分校（UNSW Sydney）的生物醫學和電子工程師開發了一種新的方法來測量神經活動。該方法用光信号取代電信号，可能會重新定義神經義肢和腦機接口等醫療技術。
新南威爾士大學電子工程與通信學院的弗朗索瓦•拉杜塞爾（Fran ç ois Ladouceur）教授表示，該跨學科團隊近來在實驗室中證實了一個于疫情前不久提出的理論。該理論表示，用液晶和集成光學技術建造的傳感器（名為 " 光極 "）可以記錄活體動物體内的神經沖動。
這些光極的性能不僅和那些用電流來探測神經沖動的傳統電極一樣好，還解決了拉杜塞爾教授所說的 " 其他競争技術尚無法解決的棘手問題 "。
- Mehau Kulyk -
" 首先，使用傳統電極很難通過縮小接口的尺寸來讓上千個電極在極小的區域内連向上千個神經元。" 當我們縮小數千個電極，并把它們放得越來越近來連接生物組織時，其中一個問題是，這會增加單個電極的電阻，從而降低信噪比，使得讀取信号變得麻煩。我們稱之為 " 阻抗失配 "。
"問題之二是我們所說的‘串擾’。當你縮小這些電極并把它們互相靠近時，它們就會因為距離變近而開始相互幹擾。"
但由于光極用來探測神經信号的是光信号而不是電信号，這種阻抗失配和串擾的問題就迎刃而解了。
拉杜塞爾教授說：" 我們的方法真正的優勢在于，使用光學方法，我們可以把連接變得十分密集，卻不用像在使用電學方法時一樣為此付出代價。"
- JASON SOLO -
活體（in vivo）試驗
在最近發布于 Journal of Neural Engineering 的研究中，拉杜塞爾教授和新南威爾士大學的其他研究人員希望證明，當神經沖動沿着活體動物的神經纖維傳播時，他們能夠用光極來準确地測量神經沖動。
論文題目：
Liquid crystal electro-optical transducers for electrophysiology sensing applications
DOI：
https://doi.org/10.1088/1741-2552/ac8ed6
他們的研究小組試圖在實驗室中證明這一點。生物醫學工程學院的負責人、泰瑞基金會健康工程研究所（Tyree Foundation Institute of Health Engineering）所長、傑出教授奈傑爾•羅弗爾（Nigel Lovell）也參與了這項研究。
他表示，他們的團隊在将實驗動物麻醉後，把光極連到其坐骨神經上，再用微小的電流刺激神經，并用光極來記錄神經信号。然後他們使用傳統電極和生物學用放大器（bioamplifier）重複了該實驗。
羅弗爾教授說：" 我們證明了兩組實驗的神經反應幾乎相同。光極中仍然存在較多的噪音，但鑒于這是全新的技術，我們并不吃驚，而且我們會努力解決這個問題。但最重要的是，我們能夠通過電信号和光信号的測量數據識别出同一特征。"
- Davide Bonazzi -
義肢技術的新黎明
迄今為止，該團隊已經能夠證明相對微弱（微伏水平）的神經沖動可以通過光極技術來測量。下一步将會是擴大光極的數量，以便處理複雜的神經網絡和可興奮組織（excitable tissue）。
拉杜塞爾教授表示，他的同事在項目剛開始時自問道，普通人如果想靈活地操縱一隻手需要多少神經連接呢？
" 你能拾起一個物體、判斷它的摩擦力、施加恰到好處的壓力去握住它、把它精确地從 A 移動到 B、移動時或快或慢。完成所有這些動作時我們都不曾多想。以上問題的答案并非顯而易見，所以我們在文獻中苦苦查詢。我們最終認為大約有五千到一萬個神經連接參與其中。"
- Gachuhi Brian -
換句話說，在你的大腦和手之間有一束神經，它從你的大腦皮層向下行進，最終分成五千到一萬條神經來控制手部的精細操作。
如果一個包含數千個光學連接的芯片可以連到你的大腦，或者在神經束分枝前連接到手臂中的某個位置，那麼手部義肢就可能具有和真正的手旗鼓相當的功能。
拉杜塞爾教授表示，無論如何，這是我們的夢想，在實現它之前可能還需要進行幾十年的進一步研究。這将包括光極雙向性的開發：我們希望光極不僅可以接收和解讀從大腦傳向身體的信号，還可以接收以神經沖動的形式從身體傳回大腦的反饋。
腦機接口是一場 " 持久戰 "
神經義肢并不是唯一一個能被光極技術重新定義的領域。長期以來，人類都幻想着将技術和機器融入人體來修複或增強原有功能。
其中一些現已成為現實，比如人工耳蝸、起搏器和心率除顫器，更不用說智能手表和其他提供持續生物反饋的跟蹤設備。
但在生物醫學工程和神經科學領域，我們更具雄心的目标之一是開發出不僅能将大腦與身體其他部分連接、甚至還能連接到整個世界的腦機接口。
羅弗爾教授說：" 神經接口是一個極其令人興奮的領域，它在未來十年将成為被廣泛研究和開發的對象。"
- themoondidnotexplode.wordpress.com -
雖然比起現實，這個目标聽起來更像科幻，但是有許多生物技術公司對此極其認真。企業家伊隆•馬斯克（Elon Musk）是 Neuralink 的聯合創始人之一，該公司旨在建造能幫助癱瘓患者的腦機接口，并将人工智能融入到我們的腦活動中。
Neuralink 的方法是在設備裡運用傳統的有線電極，因此，他們如果想開發出能承載大腦和植入設備間成千上萬個連接的設備，則必須克服 " 阻抗失配 " 和 " 串擾 " 等諸多挑戰。最近有報道稱，馬斯克對這項技術的緩慢進展感到沮喪。
拉杜塞爾教授表示，時間自然會證明 Neuralink 及其競争者們能否成功跨過這些障礙。然而，考慮到目前能在體内捕獲神經活動的植入式設備僅限于約一百個電極，這将是條漫漫長路。
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拉杜塞爾教授說：" 我并不是說這不可能，但是如果你堅持使用傳統電極，事情會變得非常困難。"
" 我們在光學領域沒有這些問題。在我們的設備中，當神經活動出現時，液晶的轉向受到影響，由此我們可以通過光照來探測和量化神經活動。這意味着我們不需要像有線電極那樣從生物組織中提取電流。因此，我們可以更加高效地完成生物傳感。"
研究人員現已證明光極可以用于生物體内，下一步則是在短期内發表研究成果來表明光極的雙向性。也就是說，光極不僅可以讀取、還可以寫入神經信号。
作者：新南威爾士大學
譯者：Lemon l 校對：殷尚墨羽
