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中國(guó)科學(xué)家研發(fā)柔性腦機(jī)接口，在10Hz左右找到α波

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2019 年，馬斯克（Elon Musk）創(chuàng)立的公司 Neuralink，研發(fā)出高效實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的策略：通過整合柔性聚合物探針（避免 Neuralink 長(zhǎng)期植入大腦的損傷和炎癥）、堅(jiān)硬的植入針、以及植入機(jī)器人來實(shí)現(xiàn) 。
在 Neuralink 演示中，該策略能從 1500 個(gè)電極中讀取信息，優(yōu)于此前嵌入人體的體系1 5 倍。
但是，塑料和彈性體的力學(xué)可調(diào)節(jié)性較小，其柔韌性仍然無(wú)法完全滿足用于柔軟腦組織表面的要求。
因此，制備一種與腦組織之間具有高機(jī)械和生物適配性的柔性腦機(jī)接口（BMI，Brain-machine interfaces）是非常重要的。
近年來，含水量高且具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的熱度很高，這主要是因?yàn)樗尸F(xiàn)出與天然軟組織類似的結(jié)構(gòu) 。其中，導(dǎo)電水凝膠就因其良好的類組織性和生物親和性被廣泛應(yīng)用于生物電子領(lǐng)域。
因此，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授魯雄團(tuán)隊(duì)，通過分子設(shè)計(jì)，制備出一款可導(dǎo)電的多功能水凝膠，借此實(shí)現(xiàn)了與腦組織接近的力學(xué)性能和生物學(xué)性能，剛性電子元件和柔軟腦組織之間的機(jī)械和生物學(xué)不匹配的難題得以解決。

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圖 | 魯雄教授（來源：魯雄課題組）
該團(tuán)隊(duì)表示：“我們已與法國(guó) Dreem 公司開展了合作。Dreem公司在其研發(fā)的新一代眼電圖和腦電圖信號(hào)生物電傳感器上，采用我們研發(fā)的柔性自粘附水凝膠作為可穿戴式柔性腦機(jī)接口。與商業(yè)電極比如濕電極 Ag/AgCl 和硅烷干電極相比，超軟水凝膠所記錄的腦電信號(hào)幾乎沒有偽影出現(xiàn)，呈現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性 ?！?br /> 此外，通過將休息狀態(tài)下的腦電圖進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換后，可在 10 Hz 左右找到明顯的特征 α 波，有望用于跟蹤人體睡眠，從而提供有效改善睡眠狀況的 drug-free 新途徑，緩解現(xiàn)代人的神經(jīng)衰弱癥狀等。
“另外，我們也希望將該水凝膠作為長(zhǎng)期可植入式腦機(jī)接口，以用于監(jiān)測(cè)神經(jīng)性疾病患者，例如阿茲海默病、帕金森病、創(chuàng)傷性腦損傷等患者的腦電信號(hào)，這也是我們的初心。”研究人員表示。

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（來源：Matter）
概括來說，以此次制備的水凝膠作為導(dǎo)電界面，再集成柔性腦機(jī)接口，即可實(shí)現(xiàn)剛性微電路和柔軟腦組織的無(wú)縫聯(lián)接，為穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)腦電信號(hào)的長(zhǎng)期植入腦機(jī)接口材料提供一種設(shè)計(jì)思路。
1 月 27 日，相關(guān)論文以《具有與腦組織無(wú)縫貼合和免疫逃逸能力的生物粘附和導(dǎo)電水凝膠集成腦機(jī)接口》（Bioadhesive and conductive hydrogel-integrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue）為題發(fā)表在Matter上，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院魯雄教授和謝超鳴研究員、電子科技大學(xué)潘泰松副教授、中國(guó)海洋大學(xué)韓璐教授以及北京基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所江小霞副研究員擔(dān)任共同通訊作者。

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圖 | 相關(guān)論文（來源：Matter）
構(gòu)建植入式腦機(jī)接口，可準(zhǔn)確記錄顱內(nèi)皮層腦電信號(hào)

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該研究的背景在于，腦機(jī)接口為大腦和外界人造器械建立了直接溝通的橋梁，可用于監(jiān)測(cè)大腦的功能，在神經(jīng)性疾病的診斷和治療方面具有重大意義。
但是，腦組織是非常柔軟且脆弱的，而傳統(tǒng)的腦機(jī)接口通常利用由金屬制成的電極，這類電極是剛性的，從材料角度來講，這類固體電極與柔軟的腦組織之間存在機(jī)械失配的問題，再加上常規(guī)的電極缺乏組織粘附性，使得其無(wú)法與柔軟腦組織緊密貼合，在活動(dòng)過程中易產(chǎn)生摩擦及脫落，隨之造成監(jiān)測(cè)信號(hào)的不穩(wěn)定和準(zhǔn)確性。

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中國(guó)科學(xué)家研發(fā)柔性腦機(jī)接口，在10Hz左右找到α波