革命性的透明植入物從表面揭開大腦深處的秘密

一種新型神經(jīng)植入物以微創(chuàng)方式將大腦表層和深層數(shù)據(jù)采集結(jié)合起來，徹底改變了大腦活動監(jiān)測。美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的科學(xué)家們開發(fā)出一種神經(jīng)植入物，它可以在大腦表面提供大腦深層活動的信息。這種植入物由薄而透明的柔性聚合物帶組成，上面布滿了密集的石墨烯電極陣列。

這項技術(shù)在轉(zhuǎn)基因小鼠身上進(jìn)行了測試，使研究人員離建立一種微創(chuàng)腦機(jī)接口（BCI）更近了一步，這種BCI能利用大腦表面的記錄提供有關(guān)深層神經(jīng)活動的高分辨率數(shù)據(jù)。

克服目前神經(jīng)植入的局限性

這項研究的資深作者、美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校雅各布斯工程學(xué)院電子與計算機(jī)工程系教授杜伊古·庫茲姆說：“我們正在利用這項技術(shù)擴(kuò)大神經(jīng)記錄的空間范圍。盡管我們的植入體位于大腦表面，但它的設(shè)計超越了物理傳感的限制，可以推斷更深層的神經(jīng)活動。”

這項工作克服了當(dāng)前神經(jīng)植入技術(shù)的局限性。例如， 現(xiàn)有的表面陣列是微創(chuàng)的，但它們?nèi)狈Σ蹲酱竽X外層以外信息的能力。相比之下， 帶有穿透大腦的細(xì)針的電極陣列能夠探測更深層的信息， 但它們往往會導(dǎo)致炎癥和疤痕， 隨著時間的推移影響信號質(zhì)量。

該項研究開發(fā)的新型神經(jīng)植入體可同時滿足這兩種需求。

植入物細(xì)節(jié)

這種植入物是一種纖薄、透明、柔韌的聚合物條，可緊貼大腦表面。長條上嵌入了高密度的微小圓形石墨烯電極陣列，每個電極直徑為20微米。每個電極通過一根微米粗細(xì)的石墨烯導(dǎo)線與電路板相連。

在對轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行的測試中，研究人員利用這種植入物同時捕捉到了兩種神經(jīng)活動，電活動和鈣活動的高分辨率信息。當(dāng)植入物置于大腦表面時，它能記錄外層神經(jīng)元的電信號。與此同時，研究人員使用雙光子顯微鏡通過植入體照射激光，對位于表面下2 5 0微米深處的神經(jīng)元的鈣離子尖峰進(jìn)行成像。研究人員發(fā)現(xiàn)，表面電信號與深層的鈣尖峰之間存在關(guān)聯(lián)。這種相關(guān)性使研究人員能夠利用表面電信號來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以預(yù)測不同深度的鈣離子活動——不僅是大量神經(jīng)元群，也包括單個神經(jīng)元。

庫茲姆說：“訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是為了學(xué)習(xí)表面電記錄與深度神經(jīng)元鈣離子活動之間的關(guān)系。一旦它學(xué)會了這種關(guān)系，我們就能利用該模型從表面預(yù)測深度活動。”

能夠通過電信號預(yù)測鈣離子活動的一個優(yōu)勢是，它克服了成像實驗的局限性。在對鈣尖峰成像時，受試者的頭部必須固定在顯微鏡下。此外，這些實驗每次只能持續(xù)一兩個小時。

研究報告的共同第一作者、庫茲姆實驗室的電氣與計算機(jī)工程博士生梅赫德·拉梅扎尼說：“由于電記錄沒有這些限制，我們的技術(shù)使得進(jìn)行持續(xù)時間更長的實驗成為可能，在實驗中，實驗對象可以自由走動，執(zhí)行復(fù)雜的行為任務(wù)。這可以讓我們更全面地了解動態(tài)真實世界場景中的神經(jīng)活動。”

設(shè)計和制造神經(jīng)植入物

這項技術(shù)的成功要歸功于幾個創(chuàng)新的設(shè)計特點：透明度和高電極密度與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合。

“新一代高密度嵌入的透明石墨烯電極使我們能夠以更高的空間分辨率對神經(jīng)活動進(jìn)行采樣，”庫茲姆說。因此，信號質(zhì)量顯著提高。使這項技術(shù)更加卓越的是機(jī)器學(xué)習(xí)方法的整合，這使得從表面信號預(yù)測深層神經(jīng)活動成為可能。

這項研究是美國加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校多個研究小組的合作成果。透明性是這種神經(jīng)植入物的主要特點之一。傳統(tǒng)的植入體使用不透明的金屬材料制作電極和導(dǎo)線，在成像實驗中會遮擋電極下神經(jīng)元的視線。相比之下，使用石墨烯制造的植入體是透明的，在成像實驗中可以為顯微鏡提供完全清晰的視野。

庫茲姆說：“只有這項技術(shù)才能同時實現(xiàn)記錄電信號和神經(jīng)活動光學(xué)成像的無縫整合。能夠同時進(jìn)行這兩項實驗，我們就能獲得更多相關(guān)數(shù)據(jù)，因為我們可以看到成像實驗是如何與電記錄進(jìn)行時間耦合的。”

主要特點和制造挑戰(zhàn)

為了使植入物完全透明，研究人員使用超細(xì)、超長的石墨烯絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬絲來連接電極和電路板。然而，將單層石墨烯制成又細(xì)又長的導(dǎo)線是一項挑戰(zhàn)，因為任何缺陷都會使導(dǎo)線失去功能，拉梅扎尼解釋說：“石墨烯導(dǎo)線中可能存在縫隙，導(dǎo)致電信號無法流過，因此基本上最終會出現(xiàn)導(dǎo)線斷裂的情況。”

研究人員利用一種巧妙的技術(shù)解決了這一問題。他們沒有將導(dǎo)線制成單層石墨烯，而是制成了中間摻雜硝酸的雙層石墨烯。將兩層石墨烯疊加在一起，一層石墨烯的缺陷很有可能會被另一層石墨烯的缺陷所掩蓋，從而確保制造出功能齊全、又細(xì)又長、導(dǎo)電性能更好的石墨烯導(dǎo)線。

據(jù)研究人員稱，這項研究展示了迄今為止表面植入式神經(jīng)植入物上最密集的透明電極陣列。實現(xiàn)高密度需要制造極小的石墨烯電極。這帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因為縮小石墨烯電極的尺寸會增加其阻抗，從而阻礙記錄神經(jīng)活動所需的電流流動。為了克服這一障礙，研究人員使用了庫祖姆實驗室開發(fā)的一種微加工技術(shù)，即在石墨烯電極上沉積鉑納米粒子。這種方法大大改善了電子流經(jīng)電極的情況，同時保持了電極的微小和透明。

展望未來： 未來的應(yīng)用和研究

研究小組下一步將重點在不同的動物模型中測試該技術(shù)，最終目標(biāo)是在未來將其應(yīng)用于人類。

庫茲姆的研究小組還致力于利用這項技術(shù)推動基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究。本著這種精神，他們正在與美國和歐洲的實驗室分享這項技術(shù)，為各種研究做出貢獻(xiàn)，從了解血管活動如何與大腦中的電活動相聯(lián)系，到研究大腦中的位置細(xì)胞如何如此高效地創(chuàng)造空間記憶。為了更廣泛地推廣這項技術(shù)，庫茲姆的團(tuán)隊已經(jīng)申請了美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的資助，以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，促進(jìn)全球研究人員采用這項技術(shù)。（ 綜合整理報道）（策劃/羅媛）