革命性的透明植入物从表面揭开大脑深处的秘密

这项技术在转基因小鼠身上进行了测试，使研究人员离建立一种微创脑机接口（BCI）更近了一步，这种BCI能利用大脑表面的记录提供有关深层神经活动的高分辨率数据。

这项研究成果将于今天（1月11日）发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。

克服目前神经植入的局限性

这项研究的资深作者、加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院电子与计算机工程系教授杜伊古-库兹姆（Duygu Kuzum）说："我们正在利用这项技术扩大神经记录的空间范围。尽管我们的植入体位于大脑表面，但它的设计超越了物理传感的限制，可以推断更深层的神经活动。"

当被放置在大脑表面时，这种薄而灵活的植入物能让研究人员捕捉到大脑深层神经活动的高分辨率信息，而不会损坏其脆弱的组织。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院

这项工作克服了当前神经植入技术的局限性。例如，现有的表面阵列是微创的，但它们缺乏捕捉大脑外层以外信息的能力。相比之下，带有穿透大脑的细针的电极阵列能够探测更深层的信息，但它们往往会导致炎症和疤痕，随着时间的推移影响信号质量。

加州大学圣迭戈分校开发的新型神经植入体可同时满足这两种需求。

植入物细节

这种植入物是一种纤薄、透明、柔韧的聚合物条，可紧贴大脑表面。长条上嵌入了高密度的微小圆形石墨烯电极阵列，每个电极直径为 20 微米。每个电极通过一根微米粗细的石墨烯导线与电路板相连。

在对转基因小鼠进行的测试中，研究人员利用这种植入物同时捕捉到了两种神经活动--电活动和钙活动--的高分辨率信息。当植入物置于大脑表面时，它能记录外层神经元的电信号。与此同时，研究人员使用双光子显微镜通过植入体照射激光，对位于表面下250微米深处的神经元的钙离子尖峰进行成像。研究人员发现，表面电信号与深层的钙尖峰之间存在关联。这种相关性使研究人员能够利用表面电信号来训练神经网络，以预测不同深度的钙离子活动--不仅是大量神经元群，也包括单个神经元。

石墨烯电极阵列特写。资料来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院

Kuzum 说："训练神经网络模型是为了学习表面电记录与深度神经元钙离子活动之间的关系。一旦它学会了这种关系，我们就能利用该模型从表面预测深度活动。"

能够通过电信号预测钙离子活动的一个优势是，它克服了成像实验的局限性。在对钙尖峰成像时，受试者的头部必须固定在显微镜下。此外，这些实验每次只能持续一两个小时。

研究报告的共同第一作者、库兹姆实验室的电气与计算机工程博士生梅赫德-拉梅扎尼（Mehrdad Ramezani）说："由于电记录没有这些限制，我们的技术使得进行持续时间更长的实验成为可能，在实验中，实验对象可以自由走动，执行复杂的行为任务。这可以让我们更全面地了解动态真实世界场景中的神经活动。"

设计和制造神经植入物

这项技术的成功要归功于几个创新的设计特点：透明度和高电极密度与机器学习方法相结合。

"新一代高密度嵌入的透明石墨烯电极使我们能够以更高的空间分辨率对神经活动进行采样，"库兹姆说。"因此，信号质量显著提高。使这项技术更加卓越的是机器学习方法的整合，这使得从表面信号预测深层神经活动成为可能"。

这项研究是加州大学圣地亚哥分校多个研究小组的合作成果。库祖姆是开发多模态神经接口的世界领军人物之一，他领导的团队包括纳米工程教授埃尔图鲁尔-库布库（Ertugrul Cubukcu），他擅长石墨烯材料的先进微纳米制造技术； 电气和计算机工程教授 Vikash Gilja，他的实验室整合了基础神经科学、信号处理和机器学习等领域的特定知识，对神经信号进行解码；神经生物学和神经科学教授 Takaki Komiyama，他的实验室专注于研究支撑灵活行为的神经回路机制。

透明性是这种神经植入物的主要特点之一。传统的植入体使用不透明的金属材料制作电极和导线，在成像实验中会遮挡电极下神经元的视线。相比之下，使用石墨烯制造的植入体是透明的，在成像实验中可以为显微镜提供完全清晰的视野。

Kuzum说："只有这项技术才能同时实现记录电信号和神经活动光学成像的无缝整合。能够同时进行这两项实验，我们就能获得更多相关数据，因为我们可以看到成像实验是如何与电记录进行时间耦合的。"

主要特点和制造挑战

为了使植入物完全透明，研究人员使用超细、超长的石墨烯丝代替传统的金属丝来连接电极和电路板。然而，将单层石墨烯制成又细又长的导线是一项挑战，因为任何缺陷都会使导线失去功能，拉梅扎尼解释说："石墨烯导线中可能存在缝隙，导致电信号无法流过，因此基本上最终会出现导线断裂的情况。"

研究人员利用一种巧妙的技术解决了这一问题。他们没有将导线制成单层石墨烯，而是制成了中间掺杂硝酸的双层石墨烯。将两层石墨烯叠加在一起，一层石墨烯的缺陷很有可能会被另一层石墨烯的缺陷所掩盖，从而确保制造出功能齐全、又细又长、导电性能更好的石墨烯导线。

据研究人员称，这项研究展示了迄今为止表面植入式神经植入物上最密集的透明电极阵列。实现高密度需要制造极小的石墨烯电极。这带来了相当大的挑战，因为缩小石墨烯电极的尺寸会增加其阻抗，从而阻碍记录神经活动所需的电流流动。为了克服这一障碍，研究人员使用了库祖姆实验室开发的一种微加工技术，即在石墨烯电极上沉积铂纳米粒子。这种方法大大改善了电子流经电极的情况，同时保持了电极的微小和透明。

展望未来： 未来的应用和研究

研究小组下一步将重点在不同的动物模型中测试该技术，最终目标是在未来将其应用于人类。

库兹姆的研究小组还致力于利用这项技术推动基础神经科学研究。本着这种精神，他们正在与美国和欧洲的实验室分享这项技术，为各种研究做出贡献，从了解血管活动如何与大脑中的电活动相联系，到研究大脑中的位置细胞如何如此高效地创造空间记忆。为了更广泛地推广这项技术，库祖姆的团队已经申请了美国国立卫生研究院（NIH）的资助，以扩大生产规模，促进全球研究人员采用这项技术。

编译来源：ScitechDaily