植入式超柔性微電極陣列實(shí)現大規模單細胞水平的神經(jīng)信號采集

據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，Advanced?Science期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“An Ultraflexible Electrode Array for Large-Scale Chronic Recording in the Nonhuman Primate Brain”的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心趙鄭拓研究組與臨港實(shí)驗室李澄宇研究組合作完成。該研究通過(guò)構建適用于非人靈長(cháng)類(lèi)皮層長(cháng)期埋植的超柔性微電極及配套植入方案，在實(shí)驗猴的視皮層和運動(dòng)皮層進(jìn)行了長(cháng)期埋植及單細胞水平神經(jīng)信號記錄，并進(jìn)行了運動(dòng)腦機接口等功能驗證。該研究首次實(shí)現了使用超柔性微電極在非人靈長(cháng)類(lèi)中進(jìn)行長(cháng)期大規模單細胞水平的神經(jīng)信號采集，為靈長(cháng)類(lèi)的基礎神經(jīng)科學(xué)研究以及腦機接口的臨床應用提供了強有力的工具。?

對腦活動(dòng)的高時(shí)空分辨率、高通量采集，是探討腦功能的重要基礎。隨著(zhù)腦機接口技術(shù)的發(fā)展及其在運動(dòng)功能修復等臨床治療中展現出的優(yōu)勢，在非人靈長(cháng)類(lèi)和人類(lèi)大腦中實(shí)現長(cháng)期穩定的高時(shí)空分辨率、高通量神經(jīng)信號采集，已經(jīng)成為目前神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域及臨床醫療的熱點(diǎn)之一。?? ?????

現有的部分侵入式神經(jīng)電極（如猶他電極、Neuropixels探針），雖然能夠提供單細胞分辨率和百/千通道級的神經(jīng)信號采集，但這些電極多由金屬微絲、硅等硬質(zhì)材料構成，與柔軟的腦組織的相容性較差，長(cháng)期埋植會(huì )累積免疫反應，在電極周?chē)斐缮窠?jīng)元死亡和膠質(zhì)瘢痕包裹，使得記錄到的神經(jīng)信號質(zhì)量逐漸降低，無(wú)法構成穩定的電極-神經(jīng)界面。隨著(zhù)材料學(xué)及微納加工技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)出現的超柔性微電極為克服上述難點(diǎn)提供了新的解決方案。超柔性微電極的機械特性使得其與腦組織有良好的相容性，能夠有效降低長(cháng)期埋植過(guò)程中積累的免疫反應，從而形成緊密、穩定的電極神經(jīng)界面。在小鼠中，超柔性微電極已實(shí)現了千通道級、長(cháng)達10個(gè)月的單細胞信號采集；而超柔性微電極在非人靈長(cháng)類(lèi)中的記錄性能有待驗證。?????

本研究較為系統地探究了超柔性微電極在實(shí)驗猴皮層進(jìn)行大規模長(cháng)期單細胞級分辨率神經(jīng)信號記錄的可行性。為了適應在非人靈長(cháng)類(lèi)的皮層進(jìn)行植入，趙鄭拓研究組通過(guò)材料優(yōu)化和工藝改進(jìn)，使電極在不損失其柔性的前提下，提升了抗拉伸能力，使電極在以較高的速度穿過(guò)非人靈長(cháng)類(lèi)堅韌的軟腦膜時(shí)依舊保持結構和功能完整。此外，該團隊優(yōu)化了電極位點(diǎn)排布，使其能夠覆蓋不同深度的皮層區域。同時(shí)，趙鄭拓研究組、楊天明研究組與李澄宇研究組合作，探索了適用于超柔性微電極的模塊化植入手術(shù)方案，在實(shí)驗猴皮層進(jìn)行了最高896通道植入，采集到大規模單細胞動(dòng)作電位（圖A）。長(cháng)期記錄中，該研究在3只實(shí)驗猴中共獲得2813個(gè)神經(jīng)元，最長(cháng)記錄達240天。 ?

（A）超柔性微電極在實(shí)驗猴視皮層中記錄到的單細胞動(dòng)作電位波形示例；（B）使用超柔性微電極在實(shí)驗猴視皮層中進(jìn)行感受野測量；（C）使用超柔性微電極在實(shí)驗猴運動(dòng)皮層中構建運動(dòng)腦機接口，通過(guò)神經(jīng)活動(dòng)直接控制光標移動(dòng)的效果與手控類(lèi)似。?

以此為基礎，趙鄭拓研究組與李澄宇研究組，對超柔性微電極在非人靈長(cháng)類(lèi)中的記錄性能進(jìn)一步進(jìn)行了功能性驗證。在實(shí)驗猴的視皮層中，超柔性微電極能夠有效解析神經(jīng)元對不同移動(dòng)方向光柵朝向的偏好性。同時(shí)，電極位點(diǎn)在三維空間上的覆蓋使其能夠同時(shí)測量一定皮層體積中神經(jīng)元的感受野，提升了測量效率（圖B）。在實(shí)驗猴的運動(dòng)皮層中，該研究測試了超柔性微電極采集到的神經(jīng)信號能否支持運動(dòng)腦機接口，即通過(guò)記錄的運動(dòng)皮層神經(jīng)活動(dòng)直接對屏幕上的光標進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。結果顯示，通過(guò)單個(gè)超柔性微電極采集到的不同皮層深度的神經(jīng)活動(dòng)，即可有效控制光標的移動(dòng)，且控制效果與手動(dòng)控制類(lèi)似（圖C）。這為后續發(fā)展低創(chuàng )的侵入式運動(dòng)腦機接口提供了初步驗證。?????

該研究建立了在非人靈長(cháng)類(lèi)中長(cháng)期進(jìn)行大規模單細胞水平神經(jīng)記錄的有效手段，克服了傳統硬質(zhì)電極面臨的植入損傷大、組織相容性差、長(cháng)期埋植信號不穩定、記錄通量有限等缺陷，為涉及靈長(cháng)類(lèi)的基礎神經(jīng)科學(xué)研究以及使用電極技術(shù)進(jìn)行治療及干預的臨床應用，提供了全新的解決方案。?????

研究工作得到中國科學(xué)院、科學(xué)技術(shù)部、上海市、臨港實(shí)驗室的資助，并獲得腦智卓越中心非人靈長(cháng)類(lèi)研究平臺、微納加工平臺的協(xié)助。?

審核編輯：湯梓紅