合作研究出成果,神经工程开新花

发布者:admin发布时间:2010-01-30浏览次数:19

2010年1月20日,由东南大学生物医学工程学院生物电子学国家重点实验室副主任吕晓迎教授和射频与光电集成电路研究所所长王志功教授共同主持的一场别开生面的科学实验在东南大学(位于南京)和中国康复研究中心(位于北京)的两个相距1000公里的实验室成功举行。在这次被称之为“利用‘微电子神经桥’和3G无线互联网传输技术实现千里之外两只蟾蜍的互感互动”的具有首创意义的实验中,来自这个跨学科团队的3名教授、2名教师和8名研究生(4名博士生和4名硕士生)组成了北京和南京两个实验小组,生物电子学国家重点实验室共有1名教授、3名研究生分别在南京和北京参加了这次试验。本实验前后已经准备了几个月的时间,前期的大量两地实验都是在东南大学校园内射光所文正楼四楼实验室和生物电子学国家重点实验室三楼304实验室同时进行的。在校内两个单位之间多次试验成功后,这次把其中一个实验场地搬到了千里之外的北京。
本次试验采用了该团队设计的两“座”微电子神经桥、两对儿带3G无线上网USB接口的笔记本和一套会议电话系统。其中一对儿带3G无线上网USB接口的笔记本用来实现两个动物神经系统的远程无线互联。另一对儿带3G无线上网USB接口的笔记本用来传递实验图像,并将双方场景摄像显示在同一个屏幕上。该实验之所以采用两对带3G无线上网USB接口的笔记本是为了保证神经信号传递能够尽可能保持畅通。会议电话系统用来实现两个试验小组之间的通话联系,以保证两地试验的同步进行。
在北京蟾蜍“感动”南京蟾蜍的实验中,北京实验小组在坐骨神经已与微电子神经桥发射端连接的蟾蜍脚趾上滴上一滴5%的醋酸,刺激该腿产生缩腿动作,并在坐骨神经上产生出神经信号(该神经信号波形通过示波器监视)。发射端微电子系统将此神经信号放大处理后通过3G无线互联网传送到南京,南京的接收端将北京蟾蜍坐骨神经的信号接收、处理后去刺激本地蟾蜍的坐骨神经。这时,实验双方都明确观察到了南京蟾蜍做出和北京蟾蜍相似的缩腿动作。反过来,南京的实验蟾蜍缩腿时,其坐骨神经上的神经信号传送到北京后也控制北京的实验蟾蜍产生类似缩腿动作,两地的实验得到了相同的结果。从而,验证了千里之外两只蟾蜍可以实现互感互动的科学设想。
事实上,自2004年以来,生物电子学国家重点实验室副主任吕晓迎教授和射频与光电集成电路研究所所长王志功教授就在国家自然科学基金的支持下,与南通大学江苏省神经再生重点实验室顾晓松主任跨学科合作,开展微电子神经桥的研究。其研究目标是,采用可植入体内、与中断的脊髓神经接口的微电子装置,实现脊髓神经的信道桥接、信号再生和功能重建。6年来,该团队研制了多通道神经再生的集成电路,并利用自德国和美国得到多种类型电极和自制的针状和钩状电极,在50多只大鼠和3只兔子身上进行了20多轮动物实验,验证了利用“微电子神经桥”实现神经信号再生和功能重建的可行性。在这几年的研究中,生物电子学国家重点实验室先后共有10多名研究生参加了该项目中神经信号放大电路和神经信号检测的运算跨导运算放大器的设计、体内植入器件的无线经皮能量传输、植入式系统芯片材料硅/氮化硅表面改性、植入器件用新型密封封装材料的制备、电极的表面改性及其生物相容性研究和神经信号处理与分析等方面的研究工作。
神经系统是一个复杂的巨系统,对于神经系统的深入研究是人类最富挑战的探索。几个世纪以来人类一直在努力探索神经系统的奥秘。随着人们对神经科学研究的深入,衍生了神经工程这样一门学科,神经工程是一个迅速崛起的神经科学、材料科学、微电子技术以及信息科学的交叉学科,是当今科学研究热点,已经得到科学界和发达国家政府的高度重视。神经工程利用工程技术去认识和理解神经系统,其突出的目标是解决活体神经系统与非活体人工设备之间的信息交互问题,由此恢复和增强人的感觉、感知能力以及对外界的控制能力,并寻求治疗神经疾患的有效手段。
生物电子学是研究神经信息科学的重要手段 。生物电子学是以生物学和电子学为代表但又涉及化学、物理、材料及信息技术等许多学科和高新技术相结合的一门交叉学科,具有“多学科高度交叉、发展十分迅速、领域不断拓宽、地位非常重要”的特点。这次利用‘微电子神经桥’和3G无线互联网传输技术实现千里之外两只蟾蜍的互感互动”的实验的成功正是是多学科交叉的成果,它将跨学科的研究推向了一个新的阶段。目前生物电子学国家重点实验室已经有更多的研究小组积极参与到神经工程领域的相关研究中(如神经-电子接口等),将开展多种新型神经电极的研究。今后生物医学工程学院和实验室将更多的与校内外、国内外电子学、神经科学、材料科学等学科的研究团队和专家们合作,再接再厉,继续进行研究和探索,向神经科学与工程研究的深度和广度进军。

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