面向閉環腦機接口的柔性高密度微電極陣列綜述

柔性高密度微電極陣列（HDMEA）已成為閉環腦機接口（BMI）的關鍵組件，為記錄、刺激提供高分辨率功能。這些柔性陣列相比剛性陣列更具優勢，例如，減少接口和組織之間的不匹配，無懼微小運動，以及持續的長期性能等。

微電極陣列（MEA）由緊密排列的微電極網格組成，可用于檢測來自神經元的電生理信號或傳遞電脈沖以刺激神經活動。微電極陣列通常是閉環腦機接口不可或缺的組成部分，充當了解碼神經信號并將電刺激傳回大腦的組件，從而實現雙向通信。傳統的單通道或多通道（相距>200μm）微電極陣列在閉環腦機接口的開發和應用中發揮了至關重要的作用。

與傳統的微電極陣列相比，HDMEA的密度和通道數顯著提高，具有多種優勢。首先，HDMEA能夠以更高的空間分辨率和更高的精度檢測、刺激神經活動，從而實現更精細的神經網絡映射，更好地理解復雜的大腦功能。其次，高密度電極提供了更全面的數據集。豐富的數據對于先進神經解碼算法至關重要，進而可以將神經活動轉化為更準確、更細致的腦機接口命令。第三，在較低密度的陣列中，來自多個神經元的信號通常在較大電極區域被平均化，造成關鍵信息丟失。HDMEA可以減少這種空間平均，從單個或小組神經元捕獲更多離散信號。最后，隨著更多電極與神經元相互作用，HDMEA有望促進腦機接口和大腦之間更復雜、更微妙的相互作用，從而帶來更復雜的應用和治療。

HDMEA可分為剛性和柔性兩種類型，具體取決于用于制造微電極的基板材料。目前，最先進的HDMEA是采用硅制造技術的剛性HDMEA。然而，剛性HDMEA經常遇到局限性，包括炎癥反應、組織損傷、長期穩定性有限以及生物相容性等問題。

與各種刺激模塊集成的柔性HDMEA

柔性微電極陣列通常由聚酰亞胺或聚對二甲苯等軟性材料制成，可以巧妙地模制神經組織，減少接口和腦組織之間的不匹配，從而降低組織損傷的風險，并確保與神經元更穩定、更緊密的相互作用。此外，柔性微電極陣列的適應性使其能夠順應大腦內的生理變化和運動，保持接合，從而支持腦機接口系統的壽命和魯棒性。因此，微電極陣列的柔性不僅有益而且至關重要，能確保閉環腦機接口在研究和臨床應用中的可行性、可靠性和有效性。進一步融合柔性HDMEA的優點，使柔性基板能夠適應高分辨率電極陣列，這對于識別復雜神經元動力學具有不可估量的價值，特別是在精度和適形性至關重要的動態或軟組織環境中。

除了柔性和高密度，面向閉環腦機接口的理想柔性HDMEA還包括幾個關鍵特性。其中包括生物相容性、高質量性能和長期穩定性等。然而，開發具有這些理想特性的柔性HDMEA需要面對HDMEA固有的普遍挑戰，以及與其柔性設計相關的特定挑戰，例如機械、電氣、生物、化學和互連問題等。為此，研究人員采用了多種策略，涵蓋了材料探索、柔性HDMEA設計創新、先進制造策略、工程優化以及整體組合策略等，旨在提高柔性神經接口的性能并最大限度地降低風險。

未來柔性HDMEA策略

據麥姆斯咨詢介紹，美國密歇根州立大學（Michigan State University）和定量健康科學與工程研究所的研究人員在Front. Neurosci.期刊上發表了一篇題為“Flexible high-density microelectrode arrays for closed-loop brain–machine interfaces”的綜述文章，對閉環腦機接口領域的柔性HDMEA進行了全面綜述。該綜述詳細分析了HDMEA高密度配置的構成、HDMEA設計和制造的核心原理，同時還展示了該領域的最新范例。該綜述客觀總結并討論了當前該領域面臨的一系列挑戰，包括機械、電氣、化學、生物以及與高密度互連相關的挑戰。隨后，還討論了材料、設計、表面改性和制造方面的創新策略及最新進展，進而為下一代柔性HDMEA鋪平道路。該綜述旨在闡明柔性HDMEA的發展軌跡，詳細介紹當前的研究現狀，并預測柔性HDMEA對閉環腦機接口的未來影響。

未來柔性HDMEA先進材料案例

總之，柔性HDMEA已成為閉環腦機接口極具前景的技術之一，與傳統的剛性電極相比，它具有更高的分辨率、更大的選擇性和更好的生物相容性。然而，這些陣列的開發和應用仍然存在許多挑戰，例如機械和電氣穩定性、生物相容性、功率和能源效率以及臨床轉化等。

閉環腦機接口中集成的先進柔性HDMEA概覽

對于柔性HDMEA的未來研究方向，新材料的開發至關重要，特別是對于更理想的柔性基材、導電材料和封裝解決方案。這些材料需要穩定、高效且耐用，才能實現長期使用。電極表面改性策略也至關重要，以確保長期效率和穩定性。精確激光圖案化和3D打印等制造技術的進步，將極大促進具有復雜結構和增強功能的HDMEA。在連接技術方面，集成無線系統和遠程監控將提高這些器件的臨床適用性。研究柔性HDMEA在閉環腦機接口中的應用，以及它們在從嚙齒動物和人類到昆蟲等小型生物中的應用，為理解神經機制、疾病診斷和治療以及生物檢測提供了新機遇。

論文鏈接：
https://doi.org/10.3389/fnins.2024.1348434