【原】Nat Electron：神經(jīng)調(diào)控新突破！可使用微型植入物無線網(wǎng)絡(luò)進行神經(jīng)記錄和刺激

brainnews 2021-10-03

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用于研究神經(jīng)系統(tǒng)的多通道電生理傳感器和刺激器通?；趩纹㈦姌O陣列，然而這種陣列架構(gòu)限制了電極放置和覆蓋到大量節(jié)點的靈活性（尤其跨越非連續(xù)位置時）。

來自美國布朗大學(xué)的研究人員報告了可以自主執(zhí)行神經(jīng)傳感和電刺激的無線聯(lián)網(wǎng)供電的電子微芯片“neurograins”，它有一條通向外部電信集線器的約 1GHz 電磁經(jīng)皮鏈路，可以在單個設(shè)備提供雙向通信和控制。

為了闡明該電極及記錄方法的潛力，研究人員表明48個“neurograins”可以分別在大鼠腦皮層表面安置并單獨用于神經(jīng)活動的快速記錄；使用定制的時分多址協(xié)議，鏈路配置可以覆蓋到770個“neurograins”。上述研究成果于2021年8月12日發(fā)表在Nat Electron上。

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無線neurograin系統(tǒng)

圖1總結(jié)了用于上皮層ECoG記錄的neurograin系統(tǒng)的主要特征，其中無線通信兼容微電路（application specific integrated circuits，ASIC）在一個65nm射頻互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)上實現(xiàn)，每個小芯片占用的總體積約為0.1mm3（圖1b）。

圖1a展示了用于外部集線器和neurograin整體之間的通信和近場電力收集的電磁接口，其中還顯示了額外的皮下諧振共面繼電器線圈，用于改善無線能量傳輸（wireless power transfer，WPT）效率。圖1c展示了包括專用遙測模塊在內(nèi)針對neurograin系統(tǒng)記錄和刺激版本的關(guān)鍵電子功能。

圖1 分布式獨立網(wǎng)絡(luò)無線neurograin系統(tǒng)

微植入物片上系統(tǒng)（System-on-chip）

圖2a中的顯微照片顯示了根據(jù)圖2b中所示的neurograin芯片的總體足跡和主要功能電路區(qū)域。neurograin小芯片的記錄和刺激功能共享一個公共的“RF接口”（圖2b中藍色箭頭指示的微電路，而紅色箭頭指示本案例中為微刺激設(shè)計的支電路）。

研究者使用二進制相移鍵控(binary phase-shift keying，BPSK)調(diào)制進行上行鏈路通信。調(diào)制器通過觸發(fā)調(diào)諧電容器來實現(xiàn)射頻反向散射。在確保其輸入阻抗的大小保持在恒定值的同時，通過選擇切換電容的值來最大化相位調(diào)制，以保持對芯片的穩(wěn)定供電。

圖2 neurograin芯片設(shè)計和無線電力和數(shù)據(jù)鏈

neurograin組合聯(lián)網(wǎng)

研究者采用了基于時分多址（time-division multiple access，TDMA）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使用單載波頻率來實現(xiàn)與植入設(shè)備組合之間的周期性、計劃性通信。

在神經(jīng)假體應(yīng)用中，在最大化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的同時有效利用有限通道帶寬至關(guān)重要，這也需要低延遲數(shù)據(jù)流功能。本文中，研究者比較了兩種不同的基于TDMA的方案：“自主”和“呼叫-響應(yīng)”。

圖3 在臺式機上進行數(shù)據(jù)通信演示，空中的Tx和繼電器線圈之間的距離為8 mm

neurograin無線記錄和微刺激

研究者在工作臺（鹽水溶液）和用于神經(jīng)記錄和電微刺激的大鼠體內(nèi)模型中建立并評估了一個功能齊全的系統(tǒng)（如圖1所示），聚焦在“自主”TDMA網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行。

對于多通道、組合神經(jīng)記錄，外部無線收集器接收作為TDMA數(shù)字流的神經(jīng)數(shù)據(jù)。在刺激模式下，收集器協(xié)調(diào)ASK-PWM下行鏈路以進行空間-時間特定的微刺激。

圖4 neurograin系統(tǒng)在鹽水和大鼠活體模型中記錄和刺激

最佳性能無線電力鏈路的確定

為優(yōu)化外部收集器和neurograin空間分布集合之間的電磁數(shù)據(jù)和電力傳輸效率，研究者利用三線圈架構(gòu)進行電感耦合。該線圈系統(tǒng)的設(shè)計約束，包括外部Tx線圈、植入的Tx尺寸匹配的繼電器線圈和片上接收器(Rx)微線圈，由高性能電磁仿真提供。

Tx和中繼線圈的幾何設(shè)計都可以看作是單位子線圈事實上的疊加，能夠線性或其他幾何區(qū)域擴展以定制區(qū)域覆蓋，同時保持WPT效率。

圖5 無線效率特征

無線鏈路特定射頻能量吸收率
（specific absorption rate，SAR）評估

根據(jù)現(xiàn)行IEEE指南（以及相關(guān)的FDA聲明），10g組織在“閾值”平均10 W kg-1 SAR下，預(yù)計不會產(chǎn)生不利影響。應(yīng)用此標準，研究者的靈長類動物線圈系統(tǒng)可以為當(dāng)前的ASIC傳輸足夠的功率，以運行48.4%的橫向繼電器線圈區(qū)域，其中可以包括大約500個neurograins。

對于研究者實驗?zāi)M的嚙齒動物線圈和值，0.072W(18.6 dBm)的輸入功率將為繼電器線圈上的neurograins提供足夠的RF能量，等效峰值空間SAR為3.69 W kg-1。

結(jié) 論

研究者報道了一種可擴展的、可植入的無線微傳感器和微刺激器網(wǎng)絡(luò)。每個亞毫米尺寸的硅芯片(0.1 mm³)或neurograin都在一個具有唯一ID的自主單元中整合了射頻能量收集、數(shù)據(jù)通信和記錄或刺激功能。

研究者設(shè)計了一種時分復(fù)用方法來構(gòu)建與外部無線收集器通信的空間分布式微傳感器系統(tǒng)。上述多通道系統(tǒng)能夠用于大鼠模型中體內(nèi)記錄皮層ECoG信號和皮層內(nèi)刺激神經(jīng)元微電路。

由于嚙齒動物模型的頭部大小的限制，研究者只能植入48個neurograins，但該網(wǎng)絡(luò)方法有可能擴展到770個節(jié)點。原則上，neurograin的SoC電路電子設(shè)計也可以移植到更深的亞微米CMOS工藝節(jié)點（例如22 nm節(jié)點），從而進一步減小芯片體積。這可以為大量設(shè)備最低限度的侵入性植入提供途徑。

重要的是，該雙向無線通信方法適用于實時自適應(yīng)感知：也就是說，專注于最直接參與底層生物電路信息交換的神經(jīng)細胞亞群。

參考文獻