“芯片上的神经”平台为使用芯片改善神经修复设计铺平了道路。

神经假体——含有多触点电极的植入物，可以替代某些神经功能——有创造奇迹的潜力。他们可能能够恢复截肢者的触觉，通过刺激他们的脊髓来帮助瘫痪的人再次行走，并使遭受慢性疼痛的人的神经活动沉默。在正确的位置和正确的时间刺激神经对于有效的治疗至关重要，但这仍然是一个挑战，因为植入物无法准确记录神经活动。“我们的大脑发送和接收数百万个神经脉冲，但我们通常只在患者体内植入十几个电极。这种类型的界面通常没有必要的分辨率来匹配患者神经系统中复杂的信息交换模式，”桑德拉格里比说。

复制并改进神经修复的工作原理

在EPFL工程学院教授stphanielacour博士主持的实验室中，科学家们开发了一种神经芯片平台，可以从外植的神经纤维中进行刺激和记录，就像植入神经假体一样。他们的平台包含嵌入电极和植入神经纤维的微通道，忠实地复制内部组织的结构、成熟度和功能。

科学家们测试了他们的平台对移植到大鼠脊髓中的神经纤维的影响，并尝试了各种刺激和抑制神经活动的策略。“体外测试通常是在培养皿中的神经元培养物上进行的。但这些培养无法复制你体内发现的神经元的多样性，比如它们不同的类型和直径。产生的神经细胞的特性也会发生变化。一些科学家常用的细胞外微电极阵列无法记录培养中单个神经细胞的所有活动，”Grebe说。

在EPFL开发的神经芯片平台可以在两天内在一个干净的房间内制造出来，可以快速记录数百个高信噪比的神经反应。然而，它真正与众不同的是，它可以记录单个神经细胞的活动。这项研究刚刚发表在《自然通讯》上。

抑制特定神经元的活动

科学家们利用他们的平台测试了一种抑制神经活动的光热方法。“神经抑制可能是一种治疗慢性疼痛的方法，如手臂或腿部截肢后的幻肢痛，或神经性疼痛，”拉库尔说。

科学家在芯片的一些电极上沉积了一种称为P3HT:PCBM的光热半导体聚合物。“聚合物暴露在光线下会变热。由于我们电极的敏感性，我们能够测量各种移植神经纤维之间的活性差异。更具体地说，最细纤维的活动主要受到阻碍，”格里比说。正是这些微小的纤维是伤害感受器——引起疼痛的感觉神经元。下一步将是在神经周围的植入物中使用聚合物来研究体内抑制作用。

区分感觉和运动神经纤维

科学家们还利用他们的平台来改善记录电极的几何形状和位置，以开发可以再生外周神经的植入物。通过强大的算法运行测量的神经数据，他们将能够计算神经脉冲传播的速度和方向——从而确定给定的脉冲是来自感觉神经还是运动神经。拉库尔说：“这将使工程师能够开发双向选择性植入物，从而可以更自然地控制假手等假肢。”

基金

这项工作得到了瑞士国家科学基金会、CR32I2-149609SFN和贝塔雷利基金会的支持。