一種新型神經植入物以微創方式將大腦表層和深層資料收集結合起來，徹底改變了大腦活動監測。加州大學聖迭戈分校的科學家們開發出一種神經植入物，它可以在大腦表面提供大腦深層活動的資訊。這種植入物由薄而透明的柔性聚合物帶組成，上面佈滿了密集的石墨烯電極陣列。

這項技術在基因轉殖小鼠身上進行了測試，使研究人員離建立一種微創腦機介面（BCI）更近了一步，這種BCI能利用大腦表面的記錄提供有關深層神經活動的高分辨率數據。

這項研究成果將於今天（1月11日）發表在《自然-奈米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上。

克服目前神經植入的局限性

這項研究的資深作者、加州大學聖迭戈分校雅各布斯工程學院電子與電腦工程系教授杜伊古-庫茲姆（Duygu Kuzum）說：”我們正在利用這項技術擴大神經記錄的空間範圍。儘管我們的植入體位於大腦表面，但它的設計超越了物理感測的限制，可以推斷更深層的神經活動。”

當被放置在大腦表面時，這種薄而靈活的植入物能讓研究人員捕捉到大腦深層神經活動的高解析度訊息，而不會損壞其脆弱的組織。圖片來源：David Baillot/加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院

這項工作克服了目前神經植入技術的局限性。例如，現有的表面陣列是微創的，但它們缺乏捕捉大腦外層以外資訊的能力。相較之下，具有穿透大腦的細針的電極陣列能夠探測更深層的訊息，但它們往往會導致發炎和疤痕，隨著時間的推移影響訊號品質。

加州大學聖迭戈分校開發的新型神經植入體可同時滿足這兩種需求。

植入物細節

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。每個電極透過一根微米粗細的石墨烯導線與電路板相連。

在對基因轉殖小鼠進行的測試中，研究人員利用這種植入物同時捕捉了兩種神經活動–電活動和鈣活動–的高解析度資訊。當植入物置於大腦表面時，它能記錄外層神經元的電訊號。同時，研究人員使用雙光子顯微鏡透過植入體照射激光，對位於表面下250微米深處的神經元的鈣離子尖峰進行成像。研究人員發現，表面電訊號與深層的鈣尖峰之間存在關聯。這種相關性使研究人員能夠利用表面電訊號來訓練神經網絡，以預測不同深度的鈣離子活動–不僅是大量神經元群，也包括單一神經元。

石墨烯電極陣列特寫。資料來源：David Baillot/加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院

Kuzum 說：”訓練神經網路模型是為了學習表面電記錄與深度神經元鈣離子活動之間的關係。一旦它學會了這種關係，我們就能利用該模型從表面預測深度活動。”

能夠透過電訊號預測鈣離子活動的一個優點是，它克服了成像實驗的限制。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一到兩個小時。

研究報告的共同第一作者、庫茲姆實驗室的電氣與計算機工程博士生梅赫德-拉梅扎尼（Mehrdad Ramezani）說：”由於電記錄沒有這些限制，我們的技術使得進行持續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，執行複雜的行為任務。這可以讓我們更全面地了解動態真實世界場景中的神經活動。”

設計和製造神經植入物

這項技術的成功要歸功於幾個創新的設計特點：透明度和高電極密度與機器學習方法相結合。

“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活動進行採樣，”庫茲姆說。”因此，訊號品質顯著提高。使這項技術更加卓越的是機器學習方法的整合，這使得從表面訊號預測深層神經活動成為可能”。

這項研究是加州大學聖地牙哥分校多個研究小組的合作成果。庫祖姆是開發多模態神經介面的世界領導者之一，他領導的團隊包括奈米工程教授埃爾圖魯爾-庫布庫（Ertugrul Cubukcu），他擅長石墨烯材料的先進微奈米製造技術；電機與電腦工程教授 Vikash Gilja，他的實驗室整合了基礎神經科學、訊號處理和機器學習等領域的特定知識，對神經訊號進行解碼；神經生物學和神經科學教授Takaki Komiyama，他的實驗室專注於研究支撐靈活行為的神經迴路機制。

透明性是這種神經植入物的主要特徵之一。傳統的植入體使用不透明的金屬材料製作電極和導線，在成像實驗中會遮擋電極下神經元的視線。相較之下，使用石墨烯製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。

Kuzum說：”只有這項技術才能同時實現記錄電訊號和神經活動光學成像的無縫整合。能夠同時進行這兩項實驗，我們就能獲得更多相關數據，因為我們可以看到成像實驗如何與電記錄進行時間耦合的。”

主要特點和製造挑戰

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

研究人員利用一種巧妙的技術解決了這個問題。他們沒有將導線製成單層石墨烯，而是製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，從而確保製造出功能齊全、又細又長、導電性能更好的石墨烯導線。

據研究人員稱，這項研究展示了迄今為止表面植入式神經植入物上最密集的透明電極陣列。要實現高密度需要製造極小的石墨烯電極。這帶來了相當大的挑戰，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的一種微加工技術，即在石墨烯電極上沉積鉑奈米粒子。這種方法大大改善了電子流經電極的情況，同時保持了電極的微小和透明。

展望未來： 未來的應用與研究

研究小組下一步將重點放在不同的動物模型中測試該技術，最終目標是在未來將其應用於人類。

庫茲姆的研究小組也致力於利用這項技術來推動基礎神經科學研究。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，為各種研究做出貢獻，從了解血管活動如何與大腦中的電活動相聯繫，到研究大腦中的位置細胞如何如此有效率地創造空間記憶。為了更廣泛地推廣這項技術，庫祖姆的團隊已經申請了美國國立衛生研究院（NIH）的資助，以擴大生產規模，並促進全球研究人員採用這項技術。

編譯來源：ScitechDaily