文章导读

开发无线神经信号传输装置对于开展神经科学机制研究具有重要意义。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所孙鎏炀教授研究团队，联合上海电力大学电子与信息工程学院秦伦明教授研究团队在 Micromachines 期刊上发表学术文章，并入选了2024年11月封面文章。

本文报道了一个支持双模传输的无线双向脑机接口系统，突破了传统无线脑机接口系统数据传输模式单一的局限。该系统同时支持低功耗蓝牙传输和高采样率Wi-Fi传输模式，可灵活适应多种神经信号采集与调控应用场景，为神经科学研究及临床应用提供了高效的平台。

系统组成、功能验证与应用

1.系统组成

无线脑机接口系统采用堆叠式结构，包括负责无线传输的主板、支持神经信号采集与刺激的子板，以及电池模块，整体重量仅为6.2 g，尺寸为18 mm×26.4 mm×15 mm。同时，系统配备磁控开关以实现便捷的无线开关操作。

图1. 无线脑机接口系统组成。

无线脑机接口系统架构如图2所示。其中，主板使用ESP32C3芯片支持蓝牙与Wi-Fi通信；子板搭载RHS2116芯片，支持16通道高保真信号采集及最大幅值2.55 mA的双相电流刺激，满足神经信号采集与神经调控的多样化需求。此外，基于Qt开发的主机端软件支持实时数据可视化和个性化功能操作。

图2. 无线脑机接口系统架构。

2.功能验证

在无线信号采集功能方面，通过体外实验，验证了系统在蓝牙模式下可记录低频正弦波 (10–50 Hz)，在Wi-Fi模式下可捕获高频信号 (500–2000 Hz)。测试结果表明，记录信号波形、频率与标准信号高度一致，证明了系统在广频范围内具有高保真信号传输能力，满足神经科学研究中常见频段信号的采集需求 (图3)。

图3. 无线信号采集功能验证。

在无线电刺激功能方面，系统可输出不同幅度和宽度的电流脉冲 (如0.51-2.55 mA，1-2 ms)。通过监测测试电路中标准电阻两端的电压变化，评估了刺激电流的特性。实验结果表明，测得的电压幅值与刺激电流呈良好的线性关系，验证了系统输出精准、稳定电流的能力，适用于可靠、可控神经刺激场景，满足精确神经调控的需求 (图4)。

图4. 无线电刺激功能验证。

3.应用

基于所开发的无线脑机接口系统，实现了在小鼠体内神经信号的双模检测 (图5a)。系统通过蓝牙模式可稳定记录低频局部场电位 (图5b)，通过Wi-Fi模式可精确捕获单神经元动作电位 (图5c)，展现了该系统在体内综合神经监测中的高效性和灵活性。

图5. 小鼠体内神经信号双模传输。

结论与展望

本文介绍了一款支持蓝牙与Wi-Fi双模传输的无线双向脑机接口系统。系统在蓝牙模式下可高效捕获低频局部场电位，适用于癫痫和帕金森等神经疾病的研究；在Wi-Fi模式下可精确记录高频动作电位，满足单神经元水平的解码需求。同时，该系统集成了无线电刺激功能，为神经闭环调控研究提供了重要支持。相比现有系统，该系统在尺寸、重量、通道数和信号采集精度等方面表现优异，同时是唯一支持蓝牙与Wi-Fi双模传输的系统。未来优化方向包括降低功耗、减小体积与重量、改进设备封装，以及开发实时控制的移动端或网页端接口，从而进一步提升便捷性和适用性。综上，所开发的无线脑机接口系统为神经科学研究和脑疾病诊疗提供了可靠、高效的技术平台，展现出广泛的应用前景和巨大的发展潜力。

原文出自 Micromachines 期刊：https://www.mdpi.com/3008672

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/micromachines

Micromachines 期刊介绍

主编：Ai-Qun Liu, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China; Nanyang Technological University,  Singapore

期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究和应用。

2023 Impact Factor：3.0

2023 CiteScore：5.2

Time to First Decision：16.2 Days

Acceptance to Publication：1.8 Days