Nat Electron：神经调控新突破！可使用微型植入物无线网络进行神经记录和刺激

用于研究神经系统的多通道电生理传感器和刺激器通常基于单片微电极阵列，然而这种阵列架构限制了电极放置和覆盖到大量节点的灵活性（尤其跨越非连续位置时）。

来自美国布朗大学的研究人员报告了可以自主执行神经传感和电刺激的无线联网供电的电子微芯片“neurograins”，它有一条通向外部电信集线器的约 1GHz 电磁经皮链路，可以在单个设备提供双向通信和控制。

为了阐明该电极及记录方法的潜力，研究人员表明48个“neurograins”可以分别在大鼠脑皮层表面安置并单独用于神经活动的快速记录；使用定制的时分多址协议，链路配置可以覆盖到770个“neurograins”。上述研究成果于2021年8月12日发表在Nat Electron上。

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无线neurograin系统

图1总结了用于上皮层ECoG记录的neurograin系统的主要特征，其中无线通信兼容微电路（application specific integrated circuits，ASIC）在一个65nm射频互补金属氧化物半导体(CMOS)上实现，每个小芯片占用的总体积约为0.1mm3（图1b）。

图1a展示了用于外部集线器和neurograin整体之间的通信和近场电力收集的电磁接口，其中还显示了额外的皮下谐振共面继电器线圈，用于改善无线能量传输（wireless power transfer，WPT）效率。图1c展示了包括专用遥测模块在内针对neurograin系统记录和刺激版本的关键电子功能。

图1 分布式独立网络无线neurograin系统

微植入物片上系统（System-on-chip）

图2a中的显微照片显示了根据图2b中所示的neurograin芯片的总体足迹和主要功能电路区域。neurograin小芯片的记录和刺激功能共享一个公共的“RF接口”（图2b中蓝色箭头指示的微电路，而红色箭头指示本案例中为微刺激设计的支电路）。

研究者使用二进制相移键控(binary phase-shift keying，BPSK)调制进行上行链路通信。调制器通过触发调谐电容器来实现射频反向散射。在确保其输入阻抗的大小保持在恒定值的同时，通过选择切换电容的值来最大化相位调制，以保持对芯片的稳定供电。

图2 neurograin芯片设计和无线电力和数据链

neurograin组合联网

研究者采用了基于时分多址（time-division multiple access，TDMA）的网络架构，使用单载波频率来实现与植入设备组合之间的周期性、计划性通信。

在神经假体应用中，在最大化网络节点数的同时有效利用有限通道带宽至关重要，这也需要低延迟数据流功能。本文中，研究者比较了两种不同的基于TDMA的方案：“自主”和“呼叫-响应”。

图3 在台式机上进行数据通信演示，空中的Tx和继电器线圈之间的距离为8 mm

neurograin无线记录和微刺激

研究者在工作台（盐水溶液）和用于神经记录和电微刺激的大鼠体内模型中建立并评估了一个功能齐全的系统（如图1所示），聚焦在“自主”TDMA网络执行。

对于多通道、组合神经记录，外部无线收集器接收作为TDMA数字流的神经数据。在刺激模式下，收集器协调ASK-PWM下行链路以进行空间-时间特定的微刺激。

图4 neurograin系统在盐水和大鼠活体模型中记录和刺激

最佳性能无线电力链路的确定

为优化外部收集器和neurograin空间分布集合之间的电磁数据和电力传输效率，研究者利用三线圈架构进行电感耦合。该线圈系统的设计约束，包括外部Tx线圈、植入的Tx尺寸匹配的继电器线圈和片上接收器(Rx)微线圈，由高性能电磁仿真提供。

Tx和中继线圈的几何设计都可以看作是单位子线圈事实上的叠加，能够线性或其他几何区域扩展以定制区域覆盖，同时保持WPT效率。

图5 无线效率特征

无线链路特定射频能量吸收率

（specific absorption rate，SAR）评估

根据现行IEEE指南（以及相关的FDA声明），10g组织在“阈值”平均10 W kg-1 SAR下，预计不会产生不利影响。应用此标准，研究者的灵长类动物线圈系统可以为当前的ASIC传输足够的功率，以运行48.4%的横向继电器线圈区域，其中可以包括大约500个neurograins。

对于研究者实验模拟的啮齿动物线圈和值，0.072W(18.6 dBm)的输入功率将为继电器线圈上的neurograins提供足够的RF能量，等效峰值空间SAR为3.69 W kg-1。

结 论

研究者报道了一种可扩展的、可植入的无线微传感器和微刺激器网络。每个亚毫米尺寸的硅芯片(0.1 mm³)或neurograin都在一个具有唯一ID的自主单元中整合了射频能量收集、数据通信和记录或刺激功能。

研究者设计了一种时分复用方法来构建与外部无线收集器通信的空间分布式微传感器系统。上述多通道系统能够用于大鼠模型中体内记录皮层ECoG信号和皮层内刺激神经元微电路。

由于啮齿动物模型的头部大小的限制，研究者只能植入48个neurograins，但该网络方法有可能扩展到770个节点。原则上，neurograin的SoC电路电子设计也可以移植到更深的亚微米CMOS工艺节点（例如22 nm节点），从而进一步减小芯片体积。这可以为大量设备最低限度的侵入性植入提供途径。

重要的是，该双向无线通信方法适用于实时自适应感知：也就是说，专注于最直接参与底层生物电路信息交换的神经细胞亚群。

参考文献

Lee, J., Leung, V., Lee, AH. et al. Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants. Nat Electron 4, 604–614 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41928-021-00631-8

编译作者：悟空（brainnews创作团队）