腦智卓越中心利用超柔性電極在非人靈長類中實現(xiàn)大規(guī)模單細胞信號記錄和腦機接口運動控制
文章來源：腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間：2023-10-27 | 【打印】 【關閉】
10月23日，《Advanced Science》期刊在線發(fā)表了題為《An Ultraflexible Electrode Array for Large-Scale Chronic Recording in the Nonhuman Primate Brain》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經科學研究所）趙鄭拓研究組與臨港實驗室李澄宇研究組合作完成。該研究通過構建適用于非人靈長類皮層長期埋植的超柔性微電極及配套植入方案，在實驗猴的視皮層及運動皮層進行了長期埋植及單細胞水平神經信號記錄，并進行了運動腦機接口等功能驗證。此研究首次實現(xiàn)了使用超柔性微電極在非人靈長類中進行長期大規(guī)模單細胞水平的神經信號采集，為靈長類的基礎神經科學研究以及腦機接口的臨床應用提供了強有力的工具。
對腦活動的高時空分辨率、高通量采集是深入理解腦功能的重要基礎。隨著腦機接口技術的蓬勃發(fā)展以及其在運動功能修復等臨床治療中展現(xiàn)的突出優(yōu)勢，在非人靈長類及人類大腦中實現(xiàn)長期穩(wěn)定的高時空分辨率、高通量神經信號采集，已經成為目前神經科學領域及臨床醫(yī)療的熱點之一。
現(xiàn)有的部分侵入式神經電極（如猶他電極、Neuropixels探針），雖然能夠提供單細胞分辨率和百/千通道級的神經信號采集，但這些電極多由金屬微絲、硅等硬質材料構成，與柔軟的腦組織的相容性較差，長期埋植會累積免疫反應，在電極周圍造成神經元死亡和膠質瘢痕包裹，使得記錄到的神經信號質量逐漸降低，無法構成穩(wěn)定的電極-神經界面。隨著材料學及微納加工技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)的超柔性微電極為克服上述難點提供了新的解決方案。超柔性微電極的機械特性使得其與腦組織有良好的相容性，能夠有效降低長期埋植過程中積累的免疫反應，從而形成緊密、穩(wěn)定的電極神經界面。在小鼠中，超柔性微電極已經實現(xiàn)了千通道級、長達10個月的單細胞信號采集；然而，超柔性微電極在非人靈長類中的記錄性能有待驗證。
本研究較為系統(tǒng)地探究了超柔性微電極在實驗猴皮層進行大規(guī)模長期單細胞級分辨率神經信號記錄的可行性。 為了適應在非人靈長類的皮層進行植入，趙鄭拓研究組通過材料優(yōu)化和工藝改進，使電極在不損失其柔性的前提下，顯著提升了抗拉伸能力，使電極在以較高的速度穿過非人靈長類堅韌的軟腦膜時依舊保持結構和功能完整。另一方面，團隊成員也優(yōu)化了電極位點排布，使其能夠覆蓋不同深度的皮層區(qū)域。與此同時，趙鄭拓研究組也與楊天明研究組、臨港實驗室李澄宇研究組合作摸索了適用于超柔性微電極的模塊化植入手術方案，成功在實驗猴皮層進行了最高896通道植入，成功采集到了大規(guī)模單細胞動作電位（圖A）。在長期記錄中，從3只實驗猴共計獲得2813個神經元，最長記錄達240天。
在此基礎之上，趙鄭拓研究組與臨港實驗室李澄宇研究組對超柔性微電極在非人靈長類中的記錄性能進一步進行了功能性驗證。在實驗猴的視皮層中，超柔性微電極能夠有效解析神經元對有效解析神經元對移動方向光柵朝向的偏好性的偏好性。同時，電極位點在三維空間上的覆蓋使其能夠同時測量一定皮層體積中神經元的感受野，極大提升了測量效率（圖B）。在實驗猴的運動皮層中，團隊測試了超柔性微電極采集到的神經信號能否支持運動腦機接口，即通過記錄的運動皮層神經活動直接對屏幕上的光標進行實時控制。結果顯示，通過單個超柔性微電極采集到的不同皮層深度的神經活動，即可有效控制光標的移動，且控制效果與手動控制類似（圖C）。這一結果為后續(xù)進一步發(fā)展低創(chuàng)的侵入式運動腦機接口提供了初步驗證。
該研究成功建立了在非人靈長類中長期進行大規(guī)模單細胞水平神經記錄的有效手段，克服了傳統(tǒng)硬質電極面臨的植入損傷大、組織相容性差、長期埋植信號不穩(wěn)定、記錄通量有限等缺陷，為涉及靈長類的基礎神經科學研究以及使用電極技術進行治療及干預的臨床應用，提供了全新的解決方案。
該研究由碩士研究生田一昕、研究助理王成堯與副研究員尹家鵬，在腦智卓越中心任馳副研究員、趙鄭拓研究員與臨港實驗室李澄宇研究員的指導下完成，研究組的其他成員積極參與，并得到了腦智卓越中心楊天明研究員、李雪青年研究員、腦智卓越中心非人靈長類研究平臺、微納加工平臺的大力協(xié)助，是眾多研究組和支撐平臺通力合作的重要成果。本工作得到中國科學院、科技部、上海市、臨港實驗室的資助。
圖注（A）超柔性微電極在實驗猴視皮層中記錄到的單細胞動作電位波形示例。（B）使用超柔性微電極在實驗猴視皮層中進行感受野測量。（C）使用超柔性微電極在實驗猴運動皮層中構建運動腦機接口，通過神經活動直接控制光標移動的效果與手控類似。
