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【脑机与机器狗结合:麻省理工团队让“意念操控机器人”成真】麻省理工学院的研究团队发表了一篇论文,目标是让人类可以通过一副无线眼镜操纵四足机器人执行一些简单的护理工作。眼镜以实时闭环脑机接口技术(BCI)为基础,采用的是感应式(非植入式或非侵入式)技术路线。 #抽屉IT

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麻省理工学院揭幕"质子之舞": 开拓能源新时代 麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者 Yogesh Surendranath 说:"我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质,这与催化反应有关,而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中,研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液 pH 值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯(Noah Lewis)是这篇论文的第一作者,论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子(通常是水或酸)将质子转移到另一种分子或电极表面,从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤,对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要,"Surendranath 说。在制氢电解槽中,这种方法用于从水中去除质子,并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中,当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时,就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子(右图)转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极,麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源:研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见,例如二氧化碳还原(通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料)。当质子接受体是分子时,科学家们可以精确控制每个分子的结构,并观察电子和质子如何在分子间传递,因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而,当质子耦合电子转移发生在电极表面时,这一过程就更难研究了,因为电极表面通常非常异质,质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍,麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法,使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成,表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子,它可以接受周围溶液中的质子,从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath 说:"我们可以创造出一种电极,它不是由各种各样的位点组成,而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列,每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点,这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统,研究人员能够测量流向电极的电流,从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现,周围溶液的 pH 值对这一速率有显著影响: 最高速率出现在 pH 值的两端酸性最强的 pH 值为 0,碱性最强的 pH 值为 14。为了解释这些结果,研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中,强酸性溶液中高浓度的氢离子(H3O+)将质子传递给表面的氧离子,生成水。在第二种情况下,水将质子传递给表面氧离子,生成氢氧根离子(OH-),氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过,pH 值为 0 时的速度比 pH 值为 14 时的速度快四倍,部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现,这两个反应的速率并不是在中性 pH 值为 7(氢铵和氢氧根的浓度相等)时相等,而是在 pH 值为 10(氢氧根离子的浓度是氢铵的 100 万倍)时相等。该模型表明,这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说,关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定,前向反应和后向反应对总速率的贡献相同,因此新发现表明,可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说:"这是默认的假设,即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界,因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说:"通过我们的系统,我们知道我们的位点是恒定的,不会相互影响,因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily ... PC版: 手机版:

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麻省理工学院的超声波技术突破让非侵入性脑部治疗进入新时代 ImPULS 设备包含封装在聚合物中的超声波传感器和电极(金)。图片来源:研究人员提供通过植入电极向大脑输送电脉冲的深部脑刺激疗法通常用于治疗帕金森病和其他神经系统疾病。然而,这种治疗方法所使用的电极最终会腐蚀并积累疤痕组织,需要将其移除。现在,麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法,即使用超声波而不是电力来进行深部脑刺激,由一根头发丝粗细的纤维传递。在对小鼠的研究中,他们发现这种刺激可以触发神经元释放多巴胺,而多巴胺通常是帕金森病患者大脑中的一部分。"通过使用超声波技术,我们可以创造一种新的方式来刺激大脑深部的神经元发射,"麻省理工学院媒体实验室副教授、这项新研究的资深作者卡南-达格德维仁(Canan Dagdeviren)说。"这种装置比头发丝还要细,因此对组织的损伤可以忽略不计,而且我们很容易在大脑深部导航这种装置。"除了提供一种更安全的深部脑刺激方法外,这种方法还可能成为研究人员了解大脑工作原理的重要工具。麻省理工学院研究生杰森-侯(Jason Hou)和麻省理工学院博士后奥斯曼-高尼-纳耶姆(Md Osman Goni Nayeem)是这篇论文的主要作者,其他合作者来自麻省理工学院麦戈文脑研究所、波士顿大学和加州理工学院。该研究报告于6月4日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。达格德维仁的实验室以前曾开发过可穿戴超声波设备,可用于通过皮肤给药或对各种器官进行诊断成像。然而,超声波无法通过附着在头部或头骨上的设备深入大脑。"如果我们想进入大脑深层,那么它就不能再仅仅是可穿戴或可附着的了。它必须是可植入的,"Dagdeviren 说。"我们精心定制设备,使其具有微创性,避开大脑深部的主要血管"。美国食品和药物管理局已批准使用电脉冲深部脑刺激治疗帕金森病症状。这种方法使用毫米厚的电极来激活大脑黑质区域中产生多巴胺的细胞。然而,一旦植入大脑,设备最终会开始腐蚀,植入物周围形成的疤痕组织会干扰电脉冲。新方法通过一根头发丝粗细的纤维传递超声波。图片来源:研究人员提供麻省理工学院的研究小组开始研究能否用超声波取代电刺激,从而克服其中的一些缺点。大多数神经元都有能对机械刺激(如声波的振动)做出反应的离子通道,因此超声波可用来激发这些细胞的活动。然而,现有的通过头骨向大脑输送超声波的技术无法高精度地深入大脑,因为头骨本身会干扰超声波,导致刺激偏离目标。Nayeem说:"要精确调节神经元,我们必须深入到更深的区域,这促使我们设计出一种新型超声植入物,它能产生局部超声场。为了安全地到达大脑深部区域,研究人员设计了一种由柔性聚合物制成的细如发丝的纤维。纤维的顶端包含一个鼓状超声换能器,换能器上有一层振动膜。这层薄膜包裹着一层薄薄的压电薄膜,当这层薄膜被微小的电压驱动时,就会产生超声波,附近的细胞就能检测到这些超声波。"Hou说:"它对组织安全,没有裸露的电极表面,而且功耗很低,这对转化为病人使用是个好兆头。"在对小鼠进行的试验中,研究人员发现,这种被称为ImPULS(可植入压电超声刺激器)的超声装置可以激发海马神经元的活动。然后,他们将这种纤维植入产生多巴胺的黑质,结果表明,这种纤维可以刺激背侧纹状体的神经元产生多巴胺。"刺激大脑一直是恢复大脑健康最有效但最不为人所知的方法之一。ImPULS让我们有能力以精确的时空分辨率刺激脑细胞,而且不会像其他方法那样产生损伤或炎症。"波士顿大学心理与脑科学助理教授、波士顿大学系统神经科学中心(Center for Systems Neuroscience)教员史蒂夫-拉米雷斯(Steve Ramirez)也是这项研究的作者之一。在新系统中,传感器(银色)由导线(金色)供电,导线可提供电刺激。图片来源:研究人员提供该装置的所有组件都具有生物兼容性,包括压电层,它是由一种名为铌酸钠钾(或 KNN)的新型陶瓷制成的。目前的植入物由外部电源供电,但研究人员设想未来的植入物可以由小型植入式电池和电子装置供电。研究人员开发了一种微加工工艺,使他们能够轻松改变纤维的长度和厚度,以及压电换能器产生的声波频率。这样就能为不同的大脑区域定制设备。Dagdeviren说:"我们不能说这种装置会对大脑的每个区域产生同样的效果,但我们可以非常自信地说,这种技术是可扩展的,而且不仅适用于小鼠。我们还可以把它做得更大,以便最终用于人类。"研究人员现在计划研究超声波刺激会如何影响大脑的不同区域,以及这种装置在植入一年后能否保持功能。他们还对加入微流体通道的可能性很感兴趣,这样就能让装置在传递超声波的同时传递药物。研究人员说,除了有望成为帕金森病或其他疾病的潜在治疗手段外,这种超声波设备还可以成为帮助研究人员进一步了解大脑的宝贵工具。"我们的目标是将其作为一种研究工具提供给神经科学界,因为我们认为我们没有足够的有效工具来了解大脑,"Dagdeviren 说。"作为设备工程师,我们正在努力提供新的工具,以便我们能够更多地了解大脑的不同区域。"编译自/scitechdaily ... PC版: 手机版:

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