发布时间：2024-01-19 17:29:31 栏目：精选知识
一项研究表明，采用新制造方法构建的传感器能够记录人类以及一系列动物模型中大量单个神经元的大脑深处活动，分辨率仅为一两个神经元发表在 2024 年 1 月 17 日的《自然通讯》杂志上。该研究小组由加州大学圣地亚哥分校集成电子和生物界面实验室(IEBL)领导。
该方法在几个方面都是独一无二的。它依赖于超薄、灵活和可定制的探头，由临床级材料制成，并配备可以记录极其局部的大脑信号的传感器。由于探针比当今的临床传感器小得多，因此它们可以彼此非常靠近地放置，从而可以在大脑内前所未有的深度的特定区域进行高分辨率传感。
目前，探头最多可以记录 128 个通道，而当今临床探头的最新技术只有 8 到 16 个通道。未来，研究人员开发的创新制造方法可以将每个探头的通道数量扩展到数千个，从而极大地增强医生以更高分辨率获取、分析和理解大脑信号的能力。
这项技术是对难治性癫痫患者的日常生活进行长时间(长达 30 天)无线监测的第一步。除了难治性癫痫之外，潜在的应用范围更广泛，包括帮助帕金森病、运动障碍、强迫症、肥胖、难治性抑郁症、高影响慢性疼痛和其他疾病患者。
虽然《自然通讯》论文仅报告了大脑记录数据，但该系统已被开发用于记录大脑活动并向精确位置提供电刺激。事实上，该团队正在之前和正在进行的工作的基础上，使用这种可扩展的薄膜制造方法来创建脑机接口，记录活动并向大脑皮层表面提供治疗性电刺激。
探头是整体式的，这意味着它们的各个组件彼此层叠，形成一个单一的、有凝聚力的单元，并且不需要手动组装额外的电线来进行记录。得益于源自半导体和数字显示屏行业的薄膜技术，新的记录系统具有高度可定制性和可扩展性。因此，探针极其紧凑——厚度为 15 微米，约为人类头发厚度的 1/5——最大限度地减少了探针和大脑材料特性之间的差异。
“我们开发了一种完全不同的薄膜电极制造方法，可以到达大脑深层结构——达到治疗所需的深度——实现电极的可重复、可定制和高通量生产，但具有高空间分辨率和通道尽管电极体较薄，但仍可计数。此外，电极插入与手术室现有的手术技术兼容，降低了其在临床手术中采用的障碍，”新论文的通讯作者、加州大学圣地亚哥分校电气工程教授 Shadi Dayeh 说。
该系统的设计、制造、实验测试和结果分析是由加州大学圣地亚哥分校的工程师、外科医生和医学研究人员组成的跨学科团队进行的;哈佛医学院和马萨诸塞州总医院;和俄勒冈健康与科学大学。
Dayeh 为该论文的三位第一作者中的两位提供建议：加州大学圣地亚哥分校博士后研究员 Keundong Lee 和加州大学圣地亚哥分校研究生研究员 Yun Goo Ro。Angelique C. Paulk 也是第一作者，她是马萨诸塞州总医院和哈佛医学院神经学家 Sydney Cash 博士领导的研究小组的研究员。
迈向30 天无线大脑记录系统
研究人员开发的系统是为了识别触发难治性癫痫引起的癫痫发作的大脑特定区域。为了实现这一目标，该团队正在努力实现大脑监测系统的愿景，该系统的传感器既插入大脑深处，又将传感器插入大脑表面。这些传感器将与无线帽子中的小型计算机系统进行无线通信，人们可以长时间佩戴无线帽子。该上限将提供无线电源和计算基础设施，以捕获从人的大脑记录 30 天的大脑信号。
“我们目前专注于将该技术应用于难治性癫痫患者。最终目标是到 2026 年推进该系统和相关所需技术，让患者能够使用无线系统，使他们能够在医院环境内以及在家中自由移动，而不受任何机械的束缚，同时皮质和深层大脑结构持续监测长达 30 天，”Dayeh 说。
该系统称为加州大学圣地亚哥分校微立体脑电图(μSEEG)。用于制造该设备的技术可以大批量、低成本制造，因为它源自制造数字显示屏的现有技术，这种方法最初是由半导体行业创建的。这种独特的制造工艺还为这些深度电极提供了一系列独特的功能(参见侧栏)。
实验对象
在新论文中，研究小组报告了新系统在两名人类患者身上的功能。该团队还提供了一系列不同动物模型的数据，包括急性和慢性环境下大鼠桶状皮层的成功记录;记录麻醉猪的体感皮层;以及非人类灵长类动物大脑不同深度的记录。
在已安排的肿瘤切除手术期间，在获得所有适当批准和同意的情况下，收集了该设备在人体中成功运行的数据。在手术的一次无关的暂停期间，临床医生将新的深度探针插入即将切除的脑组织中。
“在对 µSEEG 转化可行性的真实测试中，”作者在《自然通讯》论文中提到他们的设备的技术术语时写道，“我们在两个单独的人体颞中回中敏锐地植入了短 64 通道 µSEEG 电极。因临床原因接受颞叶切除术的患者参与者。我们将每个参与者的单个 64 通道短 µSEEG 设备插入组织中，临床团队确定将其切除。” 录音持续 10 分钟，能够记录正在进行的自发活动。
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