硅晶体管和大脑不混合。

至少不是最佳的。由于科学家和公司越来越多地探索了方法用电脑接口您的大脑,塑造符合和恭维我们的生物湿润的新硬件变得越来越重要。

要公平地,当制成电极阵列时,硅晶体管可以执行基础:记录神经信号,处理和分析它们的越来越复杂的程序,检测模式,又可以用于刺激大脑或控制智能假肢。

问题?他们在长期内没有生物相容性。没有修饰,植入电极总是激活大脑的免疫系统,导致植入部位周围的瘢痕组织随着细胞热切地攻击外来侵袭。

诀窍是将它们在塑料中加入身体容忍的塑料。但是,如果你已经尝试将一个袖子保护笔记本电脑挤进一个小包,那么你就会知道增加散装伸出袋子(每天斗争)。在脑机接口电子器件的情况下,脑组织是袋子。

对于哥伦比亚大学的迪翁·卡达哥特博士,该治疗方法没有制造较小的晶体管 - 我们几乎达到了极限。相反,它是制造完全新的晶体管,可舒适地与人体组织,脑或其他方式界面。本月,该团队描述了一种在离子上运行的柔和,灵活和生物相容性的晶体管,而不是传统晶体管中的电子。科学推进

因为神经元依靠离子进行通信,所以与当前发电电子器件相比,新晶体管在实时处理体信号时更有效。在一系列测试中,该团队能够将多个晶体管串联放大以放大信号和形成逻辑门,类似于基于硅的计算中使用的逻辑门。

通过微型制造的柔性生物相容性材料制成的装置允许团队准确地测量EEG“脑波”信号而不需要额外的粘合剂,并与通常的设置相比将小工具和头皮之间的接触空间降低了五次。如果这似乎看起来尤为令人印象深刻,该团队只开始探索离子驱动晶体管的潜力。

“我们的晶体管......与身体的神经信号进行通信更有效。现在我们将能够构建更安全,更小,更智能的生物电子设备,例如脑机接口,可穿戴电子设备和响应性的治疗刺激装置,可以长时间植入人类中,“khodagholy。

晶体管如何工作无论如何?

通过制作新颖的晶体管,Khodagholy的团队正在挖掘计算 - 大脑的基础知识或其他方面。

简而言之,晶体管是一个迷你电气元件,这很好地做得很好:一个,它用作放大器来提升输入电流,这是助听器或麦克风依赖的助听器或麦克风。二,它用作开关,允许小电流触发更大的电流 - 这是计算机芯片的工作方式,其中数十亿个晶体管,可以存储0s和1s,每个晶体管都可以单独存储。

硅晶体管,甚至是用于生物相容性的花哨的晶体管,在操作期间需要离子到电子转换。它们充当翻译器将身体的操作语言(离子,一种带电粒子)与计算机使用的操作。它们中的大多数易受水损伤的影响,并且需要在保护壳内进行隔离,这引入散装并降低性能。

科学家能够最大限度地减少有机电化学晶体管中的一些问题,该晶体管依赖于彼此连接的生物相容性分子形成“通道”,其允许信号通过导电的外部电解质 - 液体流动。然而,这些晶体管不能单独控制,使其无法构建逻辑栅极和电路,并且与大脑的操作相比,它们痛苦地缓慢。

到khodagholy,是大脑的理想晶体管需要四件事:一,它是由生物相容性和稳定的材料建造的;二,它是柔软而灵活的,避免机械不匹配与大脑;三,需要高速高效的放大机制,可以梳理出来,从背景噪音中提升有用的脑部喋喋不休;最后,它必须具有独立的门控,从意义上是可以单独控制每个晶体管,这允许它们连接到集成电路中。

满足内部离子门控有机电化学晶体管(IgT)

该团队对生物晶体管的答案是IGT。

在坚果壳中,igts由类似于先前使用的生物相容性的材料构建。然而,它们具有直接嵌入到构成晶体管通道的导电材料中的移动离子。通过这种方式,它们不再依赖于外部电解质,而是本身是用于进行信息的完整包装。

秘密成分?糖。

“糖分子吸引水分子,不仅帮助晶体管通道保持水合,而且还可以帮助离子在通道内更容易且快速地行进,”Khodagholy解释说。

因为移动离子直接在晶体管通道中,因此与外部电解质相比,它们不必远行调节晶体管 - 典型的溶液。这使得IGT响应响应的数量级比电解质门控晶体管更快地进行外部信号传导的变化,所以研究作者George D. Spyropoulos博士。

提供离子储存器的粘贴糖直接进入晶体管具有另一个PERK:它允许每个晶体管独立。Igts而不是沐浴在外的外部电解质,Igts的能力具有自己的栅栏 - 即控制它们是否打开或关闭的膜。在一个实验中,团队微制定的两个单独的逻辑门,并确认每个都准确操作,执行其预期的算术。

他们说,这证实了“IGT架构的可扩展性用作生物电力计算模块”。

在另一个研究中,该团队发现该设备可以可靠地将微小信号可靠地放大多达四倍。因为神经和其他身体信号通常需要多级提升,然后在准确拾取并破译之前,但igts似乎非常适合这项工作。

no-fuss eeg

作为IGT生物相容性的概念证明,该团队将重点放在EEG上。广泛用于诊所和实验室,EEG在头部表面上使用电极盖拾取脑波。

这不是一个有趣的过程:头皮通常必须脱模(哎哟!)和粘合剂用于更好地粘在金属电极上,这在最坏的情况下引起刺激和皮疹。头发也妨碍了泥泞的信号。

相比之下,IGT是一个梦想。它的小尺寸意味着该团队可以在毛囊之间滑倒它。它的灵活性和弯曲性使得可以将其直接拍摄到头皮上,无需预处理。在一次测量大脑信号的测试中,当人们闭着眼睛时,闭着眼睛,可靠且始终拾起大脑的活动。

可以通过手动操纵的便携式轻量级EEG器件可能已经改变了未来神经病学。但这只是一开始。IGTS的微小尺寸意味着可以将更多装置应用于更小的区域以测量以更精细的刻度来测量信号,或者将它们粘在通常太小或不规则的区域中以容纳电极。因为它们本质上是柔软的,适象的和生物相容的,所以它们可以在极细腻的组织上使用,例如新生儿的头皮或大脑内部。

但最重要的是,研究作者Jennifer Gelinas博士,IGTS可以执行电路计算。这意味着他们可以一天成为能够检测大脑的电气模式并相应地刺激的闭环系统的一部分,其风险远重低于当前基于电极的接口。

“具有这种速度和扩增,结合其易于微制造,这些晶体管可以应用于许多不同类型的装置。使用这些设备有可能受益的潜力未来的病人关怀,“Khodagholy说。

图像信用:Jennifer Gelinas /哥伦比亚大学欧文医疗中心

Shelly Xuelai Fan是一个神经科学家转向科学作家。她在不列颠哥伦比亚省大学的神经科学中完成了博士学位,在那里她开发了新的神经变性治疗方法。在研究生物脑的同时,她对AI和所有东西都很着迷。毕业后,她搬到了UCSF,研究了恢复老年大脑的基于血液的因素。她是 ...

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