植入性柔性网格与嵌入式传感神经活动电极的结合提高人脑采样效率并减少皮质组织受伤

设备覆盖区和检测参数

外部电子器件与人类大脑的无缝集成的仍然是很困难的。如果能够实现，影响是深远的：神经义肢技术能实现让个人以最小的努力自由地控制外部环境，仅仅通过思考。在发表于《Nature Materials》的文章中，Chong Xie和他的同事们描述了一种新型大孔柔性网格探针，以最小的神经传感覆盖区植入到大脑。这些设备可能会开辟一个新的设计途径，使外部电子器件与大脑相连接。

可靠的脑-机结合会大大提高生活的质量，例如通过使感官类假肢恢复视觉或者触觉。除了假肢，通过电刺激特定大脑区域的神经调节已经深深地影响了至少100000名患有帕金森症的患者。临床试验正在使用脑部深度电刺激来解决肥胖、情绪障碍、癫痫等症状。许多其他患者植入电刺激器以减轻慢性疼痛。因此很明显的是植入皮层电极不再是科幻的范畴。这表示，虽然电与大脑结合的潜力和效用是明显的，支撑这种关键的脑-机结合技术，仍然是不可靠的。在这种背景下，Xie和他的同事们的工作是重要和有趣的。

研究人员制作了一种大孔柔性的圆柱形网格，并利用它作为可感觉和刺激体内神经细胞的植入式电接口。这种方法具有吸引力的特点是，网格设计使植入体变得具有超柔性；但是在冻结时，网格的硬度足可穿透大脑。此外，该设备采用一种“bend-out”设计结构，该结构通过应变设计，使传感单元在大脑中展开而不损害神经元，安放到最初植入无损伤的地区。该设计还包括一种简化和集成的输入/输出连接器以促进外部电路连接到电极植入体。

谢和他的同事们因此提出了一类新的皮层电极，拓展当前的探针种类，如硅基针状(Ulta)、平面(Michigan)或线状(浮动微丝阵列；FMA)探针。这一代植入式电极的主要限制之一是无法长期可靠地从大脑中记录。在这个领域的新共识是若干个月后，疤痕组织形成或者其他发炎过程会负面地影响电极附近神经元的健康，妨碍我们与健康脑细胞沟通的能力。

推测的失效机制包括：(i)刚性探针的植入造成对记录神经元的损害；(ii)“外来”探针导致发炎是由于探针材料和大脑的刚度不匹配；(iii)这些设备的长期存在使受损血脑屏障(BBB)得到治疗，导致未治愈伤口和感染导致的电极附近神经元缺失；(iv)在记录位置，防止炎性细胞激素扩散的探针设计可能会更容易引起发炎损伤。

在他们的工作中，Xie和合作者们解决了许多上述的设计难题，既证明了网格设计可使发炎程度最小(组织学分析已证明)，还证明了急性电生理记录是可行的。这份报告并没有找到任何BBB持续破坏的证据，并且因其开放和多孔的结构，网格布局可能会阻止探针附近发炎性细胞激素的累积。进一步关于量化BBB愈合、慢性发炎和评估电极促进长期记录能力的研究，对于全面地评估网格电极的潜在临床影响是必要的。

这项工作中所采用的解决目前植入式电极设计局限性的策略，是曾报道过的基于柔性材料的使用，还有降低探针在头脑中作用范围。对于后者，比较了不同商用探针设计的网格布局，考虑到植入设备体积和传感脑组织的理论体积。通过比较可以得出一些有趣的结论。首先，具有网格结构所占据的大脑皮层材料体积显著低于其他设计。同时，网格设备取样的实际大脑体积，估计考虑到网格记录位置数量和它们的半径，可与其他探针相比，除了100 -shankUtah探针。对于网格探针，采样效率是最高的。此外，多孔结构周围的形状可能是网格设备的最大优势。与其他设计相比，皮质组织的体积受伤、严重或慢性程度是微不足道的。事实上，大孔结构使神经元和细胞在探头结构中生长、整合并稳定地植入。

通过这个分析，网格探针显然是迄今为止最高效的设计，使设备在脑中的覆盖区最小化，仍检测皮质神经元的动作电位。未来设计将获得更高密度的电极，进一步提高Xie和他的同事们所证明的潜在性能。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮