模块化脑机接口用于神经记录、神经刺激和药物递送
模块化脑机接口：神经记录、神经刺激与药物递送的创新突破
学术背景
脑机接口（Brain-Machine Interface, BMI）是神经科学与临床医学中的重要工具，能够实现大脑与外部世界之间的电荷、物质与信息交互，广泛应用于神经解码、神经系统疾病的诊断与治疗以及脑科学研究。随着神经科学的发展，多模态脑机接口（multimodal BMI）引起了广泛关注，这类接口能够同时支持神经记录、神经刺激和药物递送等多种功能。然而，现有的多模态脑机接口大多针对特定场景设计，具有高度集成的固定配置，难以适应不同实验需求。
针对这一问题，Sheng等人提出了一种模块化的多模态脑机接口，旨在通过灵活的模块化设计，使脑机接口能够根据不同实验需求调整配置、模态和功能。这种设计不仅提高了设备的适应性，还为需要多种模态和规格的实验提供了一个通用平台。
论文来源
本论文由Tiancheng Sheng、Lingyi Zheng、Jingwei Li等作者共同完成，作者团队来自清华大学（Tsinghua University）生物医学工程学院、机械工程系以及中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室。论文于2025年5月16日发表在《Device》期刊上，题为《Modular brain-machine interface for neurorecording, neurostimulation, and drug delivery》。
研究流程与结果
1. 模块化脑机接口的设计与开发
研究团队提出了一种模块化的无线多模态脑机接口，其设计基于功能分散的原则，将复杂系统分解为多个简单模块。该设备由支持层（Support Layer, SL）、功能层（Functional Layer, FL）和接口层（Interface Layer, IL）组成。支持层包含无线通信、电源管理和系统管理等功能，功能层则包括神经记录、神经刺激和药物递送等模块，接口层则直接与实验对象连接。
为了简化模块之间的连接，研究团队设计了统一的物理接口（Zero Insertion Force connector, ZIF connector）和通信协议（Serial Peripheral Interface, SPI 和 Pulse Width Modulation, PWM），使得不同功能模块可以即插即用。这种模块化设计不仅提高了设备的灵活性，还为未来扩展其他功能模块（如光学模块、温度传感器模块等）提供了可能性。
在硬件设计上，支持层采用了基于ARM架构的微控制器单元（MCU）和Wi-Fi收发电路，功能层则包含64通道神经记录模块、16通道神经刺激模块和基于微泵的药物递送模块。所有模块的驱动代码集成在MCU中，用户可以通过专用软件实时监控信号并控制各种神经调节参数。
2. 实验验证与应用场景
为了验证模块化脑机接口的适用性，研究团队在四种不同场景中进行了实验：
场景一：自由活动大鼠的闭环癫痫调制
研究团队在大鼠模型中验证了脑机接口在闭环药物递送中的能力。实验中，通过在左侧顶叶植入折叠式皮层电极（ECoG electrode）记录癫痫活动，同时在右侧海马体植入微管进行药物递送。研究团队使用4-氨基吡啶（4-AP）诱导癫痫活动，并通过实时检测算法识别癫痫事件后，立即注射GABA（γ-氨基丁酸）进行调制。实验结果显示，GABA的递送显著抑制了癫痫活动，验证了脑机接口在闭环神经调节中的有效性。
场景二：猪的多通道神经记录
在猪的急性皮层记录实验中，研究团队使用了128通道的皮层电极，证明了脑机接口在大型动物模型中的适用性。实验记录了不同直径记录部位的神经活动，并通过计算机软件实时监测信号。结果显示，微记录部位能够捕获与大面积记录部位相似的神经信号，突出了脑机接口在皮层记录中的潜力。
场景三：人类头皮的脑电图（EEG）记录
研究团队开发了一种耳挂式配置，利用32通道的柔性EEG贴片电极记录人类头皮的脑电信号。实验结果表明，该设备能够有效检测到α波在闭眼和睁眼状态下的差异，验证了其在人类EEG记录中的应用价值。
场景四：体外定向神经刺激
为了验证脑机接口在定向深部脑刺激（Directional Deep Brain Stimulation, DDBS）中的能力，研究团队设计了一种基于微机电系统（MEMS）的全方向电极。实验显示，该电极能够通过调节刺激电流生成三维电场，展示了其在深部脑刺激中的潜力。
3. 实验结论与价值
研究团队开发的模块化脑机接口通过统一接口和灵活的模块化设计，成功实现了多种功能的无缝切换，为神经科学研究提供了高度适应性平台。该设备的应用价值不仅体现在其多功能性上，还体现在其在不同实验场景中的广泛适用性，如癫痫调制、皮层记录、EEG检测和深部脑刺激等。
此外，模块化设计为未来扩展其他功能模块（如光学模块、温度传感器模块等）提供了基础，进一步提升了设备的潜力。研究团队还通过实验验证了各项功能的实际效果，为未来临床和科研应用提供了可靠的依据。
研究亮点
- 模块化设计：采用统一的物理接口和通信协议，实现了功能模块的即插即用，提高了设备的灵活性和可扩展性。
- 多功能性：支持神经记录、神经刺激和药物递送等多种功能，适用于多种实验场景。
- 广泛应用：在动物模型和人类实验中均表现出良好的性能，验证了其在不同研究需求中的适用性。
- 创新实验方法：如折叠式皮层电极、全方向电极等新技术的应用，为神经科学研究提供了新的工具。
其他有价值的信息
研究团队还开发了专用用户软件，支持实时监控信号和调整参数，进一步提升了设备的易用性。此外，论文中详细描述了电极的设计与制造过程，为相关领域的研究人员提供了重要参考。
这一模块化脑机接口的创新设计为神经科学研究提供了强大的工具，有望推动神经科学、临床医学和脑机接口技术的进一步发展。