MEMS磁传感和刺激大脑植入物

宾夕法尼亚州立大学的神经科学家和工程师的跨学科团队正在开发MEMS（微电动系统）技术，以监测和刺激神经电信号，而没有侵入性的脑植入物。

由...领着Srinivas Tadigadapa博士（电气工程教授）和史蒂文·希夫（Steven Schiff）博士（宾夕法尼亚州立神经工程中心主任），宾夕法尼亚州立团队旨在创建一个可以植入的设备在头骨内无需进行脑外科手术以进行植入。

Tadigadapa博士（左）和Schiff博士（右）。图像提供宾夕法尼亚州。

大脑中的植入物与头骨

与电刺激相比，该团队将目光投向了神经元的磁刺激。

传统上，通过植入物进行的电刺激需要刺穿大脑的硬脑膜 - 围绕大脑和脊髓的保护膜的最外层。

保护大脑和脊髓的脑膜。硬脑膜是最外层的。图像提供nih.gov。

与任何手术一样，将植入物放置在硬脑膜内会带来许多危险。除了手术固有的感染风险外，还有大脑疤痕的危险。这些植入物周围的脑疤痕会导致它们的功能不正确，需要更多的手术才能在危险周期中去除疤痕组织。

Tadigadapa和Schiff的研究旨在避开将植入物放置在硬脑膜内的危险。取而代之的是，他们希望将其技术植入头骨，但完全在大脑之外。

微磁管

经颅磁刺激（TMS）是一种使用大型磁管线（称为“拳头大小”）的方法，以通过头骨激活大脑的大部分大脑。

tadigadapa的目的是使用这种方法，但要精确得多 - 以神经元水平的特异性刺激大脑。但是神经元水平的特异性需要使用较小的磁线圈。

微磁管。图像提供宾夕法尼亚州。

根据尤金·弗里曼（Eugene Freeman）博士学位候选人与Tadigadapa博士合作开发这些较小的线圈的问题，他们在缩小技术缩小方面取得了重大进展。到目前为止，他们制造的最小的线圈的直径接近500微米（他与一半的盐相比）。线圈由微型胶质制成，上面有3D铜线圈。

使用微芯片对抗地球的磁场

塔迪加达帕（Tadigadapa）工作面临的主要挑战之一是从地球磁场中干扰。大脑生成一个测量一个picotesla的磁场。相比之下，从表面上看，地球的磁场测量在25至65个微位于25至6500万倍之间，比大脑的picotesla强25至6500万倍）。

这意味着宾夕法尼亚州立团队的任何感应或驱动旨在在单独的神经元水平上进行的，都必须考虑到地球的磁场。

tadigadapa提出的解决方案？使用CMOS微芯片。芯片将使用主动和被动的电路来创建一个反馈回路，能够对抗地球磁场（以及其他干扰）的“噪声”。此外，其他电路可用于扩增特定的神经元的电信号。

一个mems芯片。图像提供Genome.gov。

如果Tadigadapa的团队成功地开发了这样的芯片，他们可以有效地避免阻止地球磁场目前需要的数百万美元的流程。该过程涉及使用专门用于电磁隔离的房间，以及需要使用液态氦气冷却设备的持续存在（且廉价）的挑战，这对于当前的传感器技术是必不可少的。

为此，传感器技术宾夕法尼亚州立大学正在发展，这本身就是能够在环境温度下运作的权利。

申请和时间表

开发这项技术具有广泛的用途。首先，使用便携式线圈，有可能在实验室外进行TMS治疗以治疗抑郁症和强迫症。

使用TMS治疗线圈的示例。图像由华盛顿大学。

拥有非侵入性传感器技术的能力也将使脑控制的假肢更容易维护（因为当前的技术需要在硬脑膜下方的植入物，面对上面讨论的许多问题和危险）。

Schiff博士曾在他的大部分职业生涯中与癫痫患者一起工作，他说，这项技术还可以在治疗癫痫病方面取得进步 - 既可以感知癫痫发作，又可能在预防癫痫发作方面进行。

目前的希望是可以在五年内进行测试。预计最早的型号将放置在头骨的外部，直到整个设备都足够紧凑，可以尝试放入头骨内。

大脑倡议

Tadigadapa和Schiff的研究部分是由NIH的大脑倡议资助的，该计划旨在支持对大脑功能和认知障碍的研究。了解有关大脑计划的更多信息这里。