植入生物混合裝置（綠色）數月后，神經元長入腦組織（藍色）。Science Corp

腦機接口能讓癱瘓病人用意念移動電腦光標，用意念重新激活肌肉。但是這項技術的性能——例如，腦機接口用戶的思想如何輕松準確地移動光標——受到與大腦通信通道數量的限制。

科學公司（Science Corporation）是一家致力于開發商用腦機接口（BCI）的公司，該公司正在放棄將小型金屬電極插入大腦的傳統方法，轉而采用基于生物學的方法來安全地增加通信通道的數量。科學公司（Science Corp）聯合創始人艾倫?馬迪利（Alan Mardinly）說：“我可以在大腦中植入100萬個，或者1000萬個什么東西而不會傷害到大腦呢？”

答案是：神經元。

科學公司設計了一種類似華夫餅的裝置，可以在大腦表面安置一層新的神經元。該公司的研究人員在小鼠身上測試了這一裝置，結果顯示，只有當裝置“開啟”時，額外的神經元才能讓小鼠學會向左或向右移動。這項研究為未來的接口奠定了基礎，未來的接口不會像現有的BCI那樣對大腦造成損害，甚至根本不會。這項研究成果于去年11月發布在bioRxiv預印本服務器上。

一個充滿神經元的華夫餅

腦機接口將大腦內的神經元與外部計算機連接起來。在美國多所大學的臨床研究中，約有三十多人通過顱骨上一個硬幣大小的開口將毫米級的金屬電極植入大腦，從而控制腦機接口技術。

其他研究團隊已經設計出比傳統金屬電極更薄、更軟或更小的設備，以便將神經元與計算機電連接起來，同時避免損傷神經元和血管。例如，Neuralink在其腦接口中使用可彎曲的聚合物電極。

科學公司的設備并沒有將任何東西植入大腦，而是放在大腦上面。但這種設備并不僅僅是一塊貼在大腦表面的板子——它充滿了神經元。神經元位于一個類似華夫餅的裝置的孔中，然后附著在大腦表面，神經元朝下。神經元向下生長進入大腦，充當設備和大腦組織之間的粘合劑。

科學公司的生物混合技術旨在將生物學融入植入人體的裝置中。馬迪利（Mardinly）表示：生物混合技術是一個古老的想法。它在腦機接口研究中時而流行，時而不流行——它首先出現在20世紀90年代早期的腦機接口研究中，最近又出現了一次。但這個想法很復雜，因為神經元是脆弱的，而腦機接口技術一般都朝著更堅固的電極發展。

科學公司總部位于加利福尼亞州阿拉米達，由Mardinly和Neuralink的聯合創始人之一Max Hodak于2021年創立。Mardinly說，生物混合項目在該醫療技術公司于2022年初成立后不久就開始了，bioRxiv研究報告中介紹的工作大約花了四五個月的時間才完成。

左圖是老鼠大腦的示意圖，部分大腦上覆蓋著綠色的圓圈圖案。右邊是一個橙色和藍色條形圖。科學公司的裝置將感光神經元植入老鼠的大腦（左圖）。植入該裝置三周后，大約一半的光敏神經元仍然存在。Jennifer brown, kara m. zappitelli等人。

構建這種生物混合裝置的過程從實驗臺上開始，在實驗臺上，神經元——特別是一種被稱為初級皮層興奮性神經元，它向鄰近的神經元發射信號——是從取自同一小鼠系的胚胎干細胞中提取出來的，科學公司的研究人員將該裝置植入小鼠體內進行測試。神經元被改造成具有光遺傳特性，這意味著當受到一定頻率的光照射時，它們會放電。

該裝置看起來像一個華夫餅，上面有一個個被稱為微孔的小碟子，每個直徑為 10 微米，安裝在透明底板上。每個微孔容納一個神經元，每個裝置約5毫米見方，平均容納9萬個神經元。生物混合裝置中的神經元長到了大腦皮層的最頂端，血管也長到了新的神經元中。

微孔支架的制作和裝載

但是僅僅讓神經元生長到大腦中并不意味著生物混合裝置可以改變大腦的功能。

于是，研究人員通過小鼠頭骨上的玻璃窗向該裝置照射光線。當小鼠學習向左轉還是向右轉以獲得食物時，研究人員打開了光。當光線照射到裝置上時，小鼠學會了向籠子左邊移動以獲得獎勵；當光線關閉時，小鼠學會了向右移動以獲得獎勵。

新的光敏神經元幫助九只小鼠中的五只學會了一種新行為，這對Mardinly來說表明生物混合裝置成功地“調節了輸出行為”。

植入物下的大腦圖像顯示，神經元軸突穿過大腦最表面的致密細胞層，進入大腦皮層的第一層。

Mardinly表示：“我們還沒有證明它們正在形成突觸，但這似乎極有可能。”

腦機接口的重大突破

佛羅里達大學電子工程教授杰克·朱迪說，這種生物混合裝置本身還不是一個接口。

朱迪說：“當我想到接口時，嗯，信息從設備中發出。”他說，相反，這是一種通過在大腦中擴散具有光學活性的細胞來為光學接口準備組織的方法。

Mardinly說，科學公司的團隊已經開始建造未來的生物混合設備，這些設備的輸入和輸出都來自大腦。這種裝置將神經元儲存在溝槽里而不是井里。溝槽的一側有發光二極管，將光傳遞給一小群神經元，另一側有電觸點，記錄神經元的動作電位，類似于腦機接口技術記錄大腦中已有的神經元。

植入前加載微細胞支架的實時成像

Mardinly表示：從概念驗證到原型是一個巨大的飛躍。這是一個“極其復雜”的設計。“這些值得嗎？這還有待觀察，對吧？這就需要我們繼續前進并加以證明。

研究小組承認，很難準確確定移植的神經元與大腦的整合程度。從過去的研究來看，光遺傳刺激只需要幾百個神經元就能發揮作用，而生物雜交裝置給大腦增加的神經元數量遠遠不止這些。

這項研究留下了許多未知數，其中最關鍵的是，為什么九只裝有光激活神經元生物雜交裝置的小鼠中有四只沒有學會任務。

下一個重要的任務就是開發出一種能記錄和刺激人體細胞的生物混合裝置，然后在更大的動物身上進行測試。

本文原標題為：

Biohybrid BCI Adds More Neurons to the Brain

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