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TCCI应用神经技术前沿实验室主任开发的首个自适应神经调控系统的新进展

近期,天桥脑科学研究院(TCCI)应用神经技术前沿实验室主任Gerwin Schalk以第一作者和通讯作者的身份在Frontiers in Neuroscience杂志上发表题为“Toward a fully implantable ecosystem for adaptive neuromodulation in humans: Preliminary experience with the CorTec BrainInterchange device in a canine model”的文章,展示了建立人类自适应性神经调控系统的初步工作。

神经接口是一种在生物神经系统与外部设备(计算机或其他电子设备)之间直接进行双向数据连接的神经技术。人们可以利用它记录神经系统活动、刺激神经系统,在身体内部与外界环境之间建立人工连接,形成闭环系统。脑机接口是其中一个重要的研究领域。

如果该接口可以根据神经生理状态而动态变化,则被称为自适应性神经调控。自适应性神经调控为研究大脑功能和治疗神经系统疾病开辟了新途径。但目前自适应性神经调控研究仍处于早期阶段,人们对大脑不同区域如何相互作用产生特定行为、这些相互作用如何受到疾病的影响以及如何调控病理行为,知之甚少。在相应的疾病治疗研究中,人们多是通过不断试验、不断试错来寻找理想的刺激目标、最佳刺激参数。不仅成本高而且周期长,一个随时可用、易于操作的通用型自适应性神经调控平台,或许能缓解这一艰难现状。

在本次研究中,在硬件方面,研究人员选择了CorTec公司专为复杂人类研究而开发的BrainInterchange(BIC)设备。BIC设备有32个通道,采样率为1 kHz,量化位数为16比特(分辨率为74 nV)。在软件方面,研究采用的是BCI2000系统。BCI2000是用于闭环神经调控和类似实验的通用软件平台,具有强大的适应性,不仅可以记录和处理大脑信号、同步不同设备上的测量数据,还可以根据特定的时间协议提供感觉刺激或电刺激。

研究人员将BIC电极植入小猎犬脑内,术后对记录的大脑信号和植入物进行验证,发现BCI2000完全支持BIC设备的硬件功能,BIC/BCI2000设备可以记录和处理自由行为期间的大脑信号。并且,该设备不仅可以执行BCI2000所能提供的所有功能,包括记录和处理信号、可视化、提供刺激,还可以连接到本地WiFi网络,并使用遥控软件进行远程控制。整个设备轻巧便携,可以通过背带直接由中等大小的动物携带。

随着进一步的开发和验证,该工作将为人类的自适应性神经技术研究创造首个全面的生态系统,帮助其他研究团队更容易地开发新的神经调控方案,克服不同神经系统疾病带来的影响。

人类进一步开发临床神经调控方案的最大挑战是,如何将专业的技术、实验、临床知识转化为可供人类使用的设备。本研究始于Gerwin Schalk教授加入TCCI之前,他目前所在的应用神经技术前沿实验室是TCCI自主开展科学研究的平台之一,也是将科学认知转化为落地技术的试验田,将继续专注于开发理解人类大脑、改善人们生活体验的技术与设备。

TCCI应用神经技术前沿实验室主任Gerwin Schalk教授

目前,TCCI已经建成两个前沿实验室,一个是与华山医院合作设立的应用神经技术前沿实验室,一个是与上海市精神卫生中心合作成立的人工智能与精神健康前沿实验室。

关于TCCI

天桥脑科学研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute,TCCI)是由陈天桥、雒芊芊夫妇私人出资10亿美元创建的,旨在支持、推进全球范围内脑科学研究,造福全人类,目前已经成为世界最知名和最大规模的支持人类脑科学研究的科研机构之一。

TCCI一期投入5亿元人民币支持中国的脑科学研究,与上海周良辅医学发展基金会合作成立上海陈天桥脑健康研究所(又名TCCI转化中心),致力于提升脑健康和脑疾病治疗研究和成果转化。后又与华山医院、上海市精神卫生中心等建立战略合作,设立了应用神经技术前沿实验室、人工智能与精神健康前沿实验室。在国际上,TCCI与加州理工学院合作成立TCCI加州理工研究院,设脑机接口、社交与决策神经科学、系统神经科学、分子与细胞神经科学、大脑成像、神经科学教育等多个中心,重点关注大脑基础研究。TCCI还在北美、亚洲、欧洲、大洋洲主办、资助了200多场高质量的学术会议。

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