脑机接口新方向：生物相容性纳米粒子实现神经调节与读取

从增强机动性和运动功能到改善感觉能力，脑机接口（BCI）可以通过实现无缝通信、改善认知功能和加速医学治疗的发展来扩展我们的人类能力。然而，目前侵入性和非侵入性技术存在根本性的局限性，这意味着要使消费级BCI成为普遍应用，需要开发并验证新技术。

为了充分发挥脑机接口的潜力，我们需要这样一个系统：1)无线传输数据；2)不依赖于手术装置；3)保持神经组织和有效传递能量和信息所需材料之间的近端接触；4)既能刺激又能记录神经活动（或双向能力）。为了弥合侵入性和非侵入性技术之间的差距，生物相容性纳米颗粒等纳米级材料提供了有前景的替代方案，使我们能够设计细胞系统和结构级别的材料。

01

纳米粒子：脑机接口的新方法

使用纳米材料，如导电聚合物或石墨烯，来改善植入电极一直是广泛研究的焦点，但最终，这些材料仍然必须通过手术进入大脑。为了使一种技术以尽可能少的干预进入脑组织，必须在细胞本身的规模上设计组件。

由于它们的小尺寸（<100纳米），纳米颗粒能够与神经组织密切相互作用，并能够通过微创途径进入大脑，包括通过血脑屏障的静脉注射和鼻内途径。纳米粒子也适用于多方面的设计。颗粒本身足够大，具有超出其主要化学成分的固有材料特性，例如压电效应，但足够小，可以与小分子或生物分子进行表面功能化，从而在生物系统中的行为中发挥重要作用。这些特性使纳米天线的合理设计成为可能，它可以将信号输入和输出到大脑中，并为未来几代脑机接口奠定基础。

02

纳米粒子神经调节

将纳米粒子用作大脑中的天线这一概念在过去15年中在学术实验室中得到了广泛研究。其中绝大多数工作都集中在利用纳米粒子进行神经调节。虽然使用超声波或光来刺激这些粒子已经取得了一些成果，但鉴于其相对较高的组织透明度，绝大多数情况下选择的信号类型是磁性的。早期研究结果集中在利用磁热或磁机械机制来激发神经元，但最有希望的结果是磁电纳米颗粒。这些材料将一般磁场转化为高度局部化的电场，进而激活神经元，从而为治疗性刺激提供了一个有希望的平台，并最终将高保真信息传输到大脑中。

由磁致伸缩相和压电相制成的MENPs的材料和磁电特性证明了无线电场的产生。来源[1]

磁电纳米粒子通过多层核壳设计发挥作用，由覆盖有压电壳的磁限制核组成。在磁场存在的情况下，磁芯变形，这反过来又使外壳变形，并通过压电效应产生局部电场。这种效果的效率可以通过改变粒子的大小、形状、组成和层耦合来调整。

已有多个研究小组将这些材料植入小鼠和灵长类动物的大脑。Kozielski和Anikeeva在Rotorod测试、三箱测试和旋转测试中，对野生型小鼠进行了深度脑刺激，结果与植入电极相当，且生物安全性更高。Khizroev和Kaushik证实，这些粒子能够通过血脑屏障或鼻腔进入大脑，并通过施加磁场在大脑中定位。

植入性脑刺激,来源[2]

这些研究都证明了这些材料在体外和体内的生物相容性。因此，我们理想系统的所有组成部分都得到了验证；磁电纳米粒子可以非手术方式进入大脑，定位并安全有效地刺激关键区域。为了进一步证明这一概念，还需要进一步优化这些材料的磁电效应和生物相互作用的效率。所有的部分都已经存在，所以现在是时候开始转化研究，将这些材料引入脑机接口和更广泛的生物电子医学。

03

纳米粒子神经读取

设计标准中最重要的是未来脑机接口系统的双向性。这可以通过植入的电极阵列来实现，但很难用完全非侵入性的系统来实现。使用纳米粒子，神经刺激比神经读取更直接，因为使用的是外部供电信号。对于神经读取，信号检测方法要么必须非常精确，要么需要粒子在原位供电，以实现有效的信号转换。这给设计带来了重大挑战，因此该领域还不够成熟，但一些有趣的理论工作已经发表，期待进一步发展。

由于前面提到的能量限制，用纳米粒子进行神经读取的信号转换机制必须具有极低的背景干扰。从实际的角度来看，最有前途的候选者是磁场和近红外光。

从磁信号转换的角度来看，磁粒子成像（MPI）是一种利用超顺磁氧化铁纳米粒子的非线性磁化特性对神经组织进行动态成像的技术，包括神经损伤和血流。

借助磁电纳米粒子，MPI可以通过与神经刺激相反的机制直接成像神经活动：神经活动引起的局部电场变化会改变粒子的形状，从而改变其磁特性。Khizroev和Hai小组在模拟实验中证实了这些材料在真实的神经电活动中以这种方式发挥作用的潜力，但尚未在实验中实现。这些理论成果很有前景，在体外和体内验证以及MPI技术小型化后，磁电纳米粒子可以作为双向BCI的单组分天线。

用磁电纳米粒子绘制大脑电场图。来源[3]

组织透明的另一种选择是近红外光。在功能近红外光谱（fNIRs）中，近红外光通过血红蛋白吸收来测量血流动力学活性，用于监测神经活动。该技术的主要限制是由于依赖流体运动而缺乏时间分辨率。利用光直接读取神经活动已经作为光遗传学的一部分进行了探索，这一领域已经彻底改变了我们对大脑和神经功能的理解，但作为一种翻译BCI技术受到对主体基因改造的要求的限制。

在这里，纳米颗粒可能为实现更快形式的近红外神经活动成像提供了途径。该领域的早期工作主要集中在电致变色量子点上，但对信噪比和材料毒性的担忧限制了这种方法。使用等离子体金/PEDOT: PSS纳米颗粒，Yanik小组在模拟中表明，在NIR-II区域（1000-1700 nm）可以获得电致变色响应，该区域的组织具有足够的皮层成像透明度。

这种机制依赖于电致变色等离子体散射，因此，实际上是外部供电的。虽然这些结果，到目前为止，在计算机上，该小组已经证明了在金/PEDOT: PSS表面上的类似效果，这使得心肌细胞电活动的亚细胞映射成为可能。考虑到用纳米颗粒记录神经活动的两种潜在途径，这一领域的实验成功可能有助于开启脑机接口的新时代。

04

纳米粒子技术在脑机接口中的应用前景

毫无疑问，在未来的5-10年里，我们将看到越来越多的BCI和相关技术如何改变我们的生活方式的例子。每个月都会有新的植入脑机接口的患者，他们的能力得到恢复，生活质量和独立性得到改善。对于非侵入性方法，脑电图和fNIR的新应用正在不断开发，将帮助我们优化健康状况，更早地发现和诊断疾病。

然而，在这期间，脑机接口想要被广泛采用将需要在其基本机制上取得根本性的进步，并开发在有限安装的情况下在大脑和机器之间提供高保真信息传输的技术。纳米粒子技术有助于实现这一未来，并将脑机接口的无限可能性带入日常生活。

By Alexandra Karpman, Scott Meek and Uri Magaram

[1] NONRESONANT POWERING OF INJECTABLE NANOELECTRODES ENABLES WIRELESS DEEP BRAIN STIMULATION IN FREELY MOVING MICE

[2 ] Kujawska, Małgorzata*; Kaushik, Ajeet*. Exploring magneto-electric nanoparticles (MENPs): a platform for implanted deep brain stimulation. Neura l Regeneration Research 18(1):p 129-130, January 2023. | DOI: 10.4103/1673-5374.340411

[3] Guduru, R., Liang, P., Yousef, M. et al. Mapping the Brain’s electric fields with Magnetoelectric nanoparticles. Bioelectron Med 4, 10 (2018). https://doi.org/10.1186/s42234-018-0012-9

仅用于学术分享，若侵权请留言，即时删侵！

欢迎加入脑机接口社区交流群，

探讨脑机接口领域话题，实时跟踪脑机接口前沿。

加微信群：

添加微信:RoseBCI【备注：姓名+行业/专业】。

欢迎来稿

1.欢迎来稿。投稿咨询，请联系微信：RoseBCI

点击投稿：

2.加入社区成为兼职创作者，请联系微信：RoseBCI

一键三连「分享」、「点赞」和「在看」

不错过每一条脑机前沿进展