但是，目前設計一種能夠進行這種干預的完全可植入和生物兼容的設備的方法有很大的局限性：它們的分辨率不夠高，而且大多數需要大型、笨重的部件，使植入變得困難，有并發癥的風險。

由電子工程助理教授Dion Khodagholy領導的哥倫比亞工程團隊提出了一種新方法，顯示出改進此類設備的巨大前景。在他們早期開發更小、更有效的順應性生物電子晶體管和材料的工作基礎上，研究人員協調他們的設備，創造出高性能的植入式電路，允許讀取和操縱大腦電路。他們的多路復用-放大（MTA）系統只需要每個復用器一個放大器，而目前的方法則需要與通道數量相等的放大器。

生物和神經電子學設計的領導者Khodagholy說：“能夠實時檢測和干預治療與大腦失調有關的癥狀，如癲癇發作，是至關重要的。我們的系統不僅比目前的設備小得多，而且更靈活，它還能在多個獨立通道上同時刺激任意波形，所以它的用途更廣。”

Khodagholy與哥倫比亞大學歐文醫學中心神經學系和基因組醫學研究所的Jennifer N. Gelinas合作進行了這項研究，該研究于5月10日發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上。Gelinas是一位神經科學家和小兒癲癇專家，她的研究重點是了解神經網絡在癲癇中如何變得不正常，并設計方法來糾正這種功能障礙。

為了記錄、檢測和定位癲癇放電，科學家必須以高時間分辨率記錄多個地點的大腦活動。這需要一個高采樣率的多通道采集和刺激設備和電路。傳統的電路需要與通道數量相等的放大電路，然后才能利用多路復用將這些信號組合成數據流。這使電路的尺寸隨著通道數量的增加而線性增加。

Khodagholy從與Gelinas等神經學家的合作中了解到，非常需要一個能夠記錄、處理和刺激大腦活動的一體化、完全可植入的系統--這樣的系統將使研究人員能夠設計個性化的療法。為了記錄大腦活動，他需要多通道放大器，但現有的選擇太大，不方便。當研究小組繼續使他們的電極更加有效，通過使用導電聚合物降低阻抗時，他們突然想，如果他們在電路設計中利用電極的改進，將多路復用器放在放大器前面，而不是后面，會發生什么。

帶著這個新想法，研究小組建造了MTA設備，然后通過開發一個完全可植入的、反應靈敏的嵌入式系統來證實其功能，該系統可以使用可適應的導電聚合物電極實時獲取單個神經動作電位。它可以通過低延遲的任意波形刺激和本地數據存儲來實現這一目標--所有這些都是在一個小型化（大約四分之一大小）的物理足跡內完成的。

電氣工程系博士后、該研究的第一作者趙子芳說：“關鍵的挑戰是在多路復用操作期間創建一個電荷排放路徑，以消除任何不必要的電荷積累。”

在哥倫比亞大學納米研究所制造的MTA設備，使該團隊能夠開發出一種新穎的閉環協議，在癲癇網絡中實時抑制海馬體和大腦皮層之間的病理耦合。這種類型的方法可以幫助解決經常伴隨癲癇的記憶問題。

Gelinas說：“這些設備將允許把有針對性的高時空分辨率響應性神經刺激方法應用于各種大腦功能，大大拓寬了我們長期修改神經網絡和治療神經精神疾病的能力。”該團隊現在正在將他們的系統與各種實驗平臺整合，目的是改善神經網絡功能和認知技能。