石墨烯与磁学在大脑中的应用：生物电子脑植入物的研究

随着电子学和生物学之间的差距越来越小，越来越多的设备正在被研究。最近，一个焦点是生物电子学，即大脑的植入物。

最近，人们对生物电子学的研究领域，即植入物的研究领域产生了浓厚的兴趣。因为大脑一直是研究人员关注的焦点。随着我们的技术在生物系统中找到能力和应用，现在可能是解开大脑秘密的时候了。

一个用于扰乱生物学和电子学的高级框架。

一个用于扰乱生物学和电子学的高级框架。图片由Teo等人提供

对这股兴趣洪流的另一个关键见解是，如何利用电子硬件研究大脑，同时为帕金森氏症等脑部疾病找到治疗方案。

本文将讨论正在开发的用于大脑接口的硬件，以及缩小生物学和电气工程之间差距的前景。

石墨烯在神经植入物中的应用

一家试图通过技术找到大脑疾病解决方案的公司是石墨烯旗舰公司的一家分拆公司，名为INBRAIN Neuroelectronics。

INBRAIN正在开发基于石墨烯的神经植入物，可以为患有癫痫、帕金森氏症等神经系统疾病的患者提供个性化治疗。

INBRAIN的解决方案和其他神经植入物之间的关键区别在于它使用石墨烯，而大多数竞争对手的大脑接口都是基于金属，通常是铂和铱。不幸的是，这些金属会导致尺寸和信号分辨率的限制，导致患者50%的排斥率。

INBRAIN原型的表面积。

INBRAIN原型的表面积。图片由Garcia Cortadella等人提供

与这些金属不同，石墨烯没有这些相同的局限性，因为它可以在纳米级制造，未来最终达到单个神经元的分辨率。此外，石墨烯具有生物相容性、轻质性和高导电性，使植入和无线充电更加安全。

然后，这些石墨烯植入物使用人工智能来学习大脑的功能，使其能够向大脑发送个性化的适应性反应。虽然这可以自主发生，但植入物可以允许远程监控和数据处理。

INBRAIN设计的另一个新颖方面是它能够在从极低（~10 Hz）到高频的宽频带内测量脑电波。这个极低的区域在过去再次避开了传感器，因为之前的大多数植入物都使用了不兼容的金属。

INBRAIN设备的电路原理图。

INBRAIN设备的电路原理图。图片由Garcia Cortadella等人提供

根据Graphene Flagship的说法，这种低频大脑活动往往决定了高频的行为，因此读取这个频带可以解码患者的大脑状态。此外，在大鼠身上测试时，这种植入物没有兼容性问题，因为高频和低频活动之间存在很好的相关性。

在获得阳性测试结果后，该团队寻找商业应用，将这种植入物推向世界。

尽管在生物电子学中使用石墨烯只是正在研究的许多想法中的一个，但另一个想法侧重于磁体在生物电学中的作用。

莱斯大学的MagNI：用磁铁给植入物充电

莱斯大学的研究人员也在这一领域进行创新，一个工程团队设计了一种磁电神经植入物。

莱斯大学的MagNI。

莱斯大学的MagNI。图片由莱斯大学提供

该设备允许通过可穿戴带产生的磁场对植入物进行充电和编程。它使用磁电传感器来实现这一点，因为它可以在身体外部收集交变磁场，因为身体不会吸收磁场或从磁场中加热。

MagNI允许对神经元进行程序化电刺激，可以帮助神经系统疾病患者。该设备非常紧凑，只需要三个位于柔性聚酰亚胺基板上的组件，一个将磁场转换为电场的2x4毫米磁电薄膜，一个CMOS芯片和一个用于临时储能的电容器。

目前，研究团队正试图在设备内实现能量和信息的双向流动，而不是目前能量只能流入设备的方式。

尽管在开发这种生物电子设备方面遇到了挫折，但随着更多的进步和研究取得成果，生物学和电子学的世界正在稳步缩小。

弥合差距？

这些应用的跨学科兴趣也正在进入课堂，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院开设了一门新课程，生物电子学导论（BE 129）。

据哈佛大学介绍，本课程介绍了该领域提供的挑战和令人兴奋的应用，并根据在该领域有效工作所需的广泛知识为学生做好准备。

虽然生物电子学领域始于18世纪中叶，但大脑功能等问题仍然是个谜。本课程旨在培养下一代解决这些期待已久的问题，即利用技术。

最后的想法

总的来说，生物电子学是一个研究人员和工程师都有机会的成熟领域。尽管我们的身体内还有很多东西需要学习和解锁，这些问题也在不断得到解决，但更多的治疗方法和用电子设备帮助他人成为可能。