加州大學圣地亞哥分校的研究人員開發了一種神經植入物，當坐在大腦表面時，它可以提供有關大腦深處活動的信息。該植入物由薄的、透明的、柔性的聚合物條組成，其中填充有密集的石墨烯電極陣列。該技術在轉基因小鼠中進行了測試，使研究人員距離構建微創腦機接口(BCI)又近了一步，該接口通過使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。

該成果于1月11日發表在《自然·納米技術》雜志上。

“我們正在利用這項技術擴大神經記錄的空間范圍，”該研究的資深作者、加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院電氣與計算機工程系教授 Duygu Kuzum 說。“盡管我們的植入物位于大腦表面，但其設計超越了物理傳感的限制，因為它可以從更深層次推斷神經活動。”

這項工作克服了當前神經植入技術的局限性。例如，現有的表面陣列是微創的，但它們缺乏捕獲大腦外層之外的信息的能力。相比之下，具有穿透大腦的細針的電極陣列能夠探測更深層，但它們通常會導致炎癥和疤痕，隨著時間的推移會損害信號質量。

加州大學圣地亞哥分校開發的新型神經植入物兼具了兩全其美的優點。

植入物是一種薄的、透明的、柔韌的聚合物條帶，與大腦表面貼合。該條帶嵌入了高密度的微小圓形石墨烯電極陣列，每個電極的直徑為 20 微米。每個電極都通過微米級細的石墨烯線連接到電路板。

在轉基因小鼠的測試中，植入物使研究人員能夠同時捕獲兩種神經活動(電活動和鈣活動)的高分辨率信息。當放置在大腦表面時，植入物記錄了來自外層神經元的電信號。與此同時，研究人員使用雙光子顯微鏡將激光照射到植入物上，對位于表面以下 250 微米深處的神經元的鈣尖峰進行成像。研究人員發現表面電信號與深層鈣峰值之間存在相關性。這種相關性使研究人員能夠使用表面電信號來訓練神經網絡來預測不同深度的鈣活動，不僅針對大量神經元，而且針對單個神經元。

“神經網絡模型經過訓練，可以學習表面電記錄與深度神經元鈣離子活動之間的關系，”庫祖姆說。“一旦它了解了這種關系，我們就可以使用該模型來預測地表的深度活動。”

能夠從電信號預測鈣活性的一個優點是它克服了成像實驗的局限性。當對鈣尖峰進行成像時，受試者的頭部必須固定在顯微鏡下。而且，這些實驗一次只能持續一兩個小時。

“由于電子記錄沒有這些限制，我們的技術使得進行更長時間的實驗成為可能，在這些實驗中，受試者可以自由走動并執行復雜的行為任務，”該研究的共同第一作者、電氣和計算機工程人員 Mehrdad Ramezani 說。博士 庫祖姆實驗室的學生。“這可以更全面地了解動態、現實場景中的神經活動。”

設計和制造神經植入物

該技術的成功歸功于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。

“這種以高密度嵌入的新一代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采樣，”庫祖姆說。“因此，信號質量顯著提高。讓這項技術更加引人注目的是機器學習方法的集成，這使得從表面信號預測深層神經活動成為可能。”

這項研究是加州大學圣地亞哥分校多個研究小組的合作成果。該團隊由多模態神經接口開發領域的世界領導者之一 Kuzum 領導，成員包括納米工程學教授 Ertugrul Cubukcu，他專門研究石墨烯材料的先進微米和納米制造技術;電氣和計算機工程教授 Vikash Gilja，他的實驗室整合了基礎神經科學、信號處理和機器學習領域的特定領域知識來解碼神經信號;以及神經生物學和神經科學教授 Takaki Komiyama，他的實驗室專注于研究靈活行為背后的神經回路機制。

透明度是這種神經植入物的關鍵特征之一。傳統植入物的電極和電線使用不透明金屬材料，這會在成像實驗期間阻擋電極下方神經元的視野。相比之下，使用石墨烯制成的植入物是透明的，這在成像實驗期間為顯微鏡提供了完全清晰的視野。

“只有這項技術才能同時記錄電信號和神經活動的光學成像的無縫集成，”庫祖姆說。“能夠同時進行這兩項實驗為我們提供了更多相關數據，因為我們可以看到成像實驗如何與電記錄時間耦合。”

為了使植入物完全透明，研究人員使用超細長的石墨烯線代替傳統的金屬線將電極連接到電路板。然而，拉梅扎尼解釋說，將單層石墨烯制造為又細又長的線材具有挑戰性，因為任何缺陷都會使線材失效。“石墨烯線上可能有一個間隙，阻止電信號流過，所以基本上最終會出現斷線。”

研究人員使用巧妙的技術解決了這個問題。他們沒有將電線制造為單層石墨烯，而是將其制造為中間摻雜硝酸的雙層。Ramezani 表示：“通過將兩層石墨烯相互疊置，一層中的缺陷很可能會被另一層所掩蓋，從而確保創建功能齊全、導電性提高的細長石墨烯線。”