研究人员在脑机接口方面的新进展

近日，science daily发布了一条关于新型脑机接口的新闻。研究人员又有了什么进展呢?让我们一起来看看吧。

概述

工程研究人员发明了一种具有灵活可模塑的背衬和穿透性微针的脑机接口，灵活的背衬可以让设备更均匀地贴合大脑中复杂的曲面，使刺穿皮层的微针分布得更均匀。比人类头发细 10 倍的微针从柔软的背衬中伸出，穿透脑组织表面而不穿透表面小静脉，并在皮质的大片区域中均匀记录来自附近神经细胞的信号。

这种新颖的脑机接口已经在啮齿动物身上进行了测试，详细信息 2 月 25 日在线发表在了《先进功能材料》杂志上。这项工作由加州大学圣地亚哥分校电气工程教授 Shadi Dayeh 实验室的团队与波士顿大学生物医学工程教授 Anna Devor 领导的研究人员共同完成。

这种新的脑机接口与“犹他阵列”相当并优于“犹他阵列”。犹他阵列是现有的具有穿透性微针的脑机接口的黄金标准，已被证明可以用于中风患者和脊髓损伤患者的治疗。植入犹他阵列的人能够使用他们的思想来控制机器人肢体和其他设备，恢复一些日常活动，比如移动物体。

用于多模式记录的柔性基板(柔性基板上的 SiMNA)上的 32 通道硅微针阵列。

这种新发明的脑机接口非常灵活，可以重新配置，犹他阵列则恰好相反。新型微针阵列背衬的灵活性和一致性有利于大脑和电极之间紧密的接触，可以更均匀地记录大脑活动信号。研究人员以啮齿动物为模型物种，证明了在持续 196 天的植入期间稳定的宽带记录产生了强大的信号。

此外，软背脑机接口的制造方式允许更大的传感表面，这意味着设备可以同时监测更大的大脑表面区域。在高级功能材料论文中，研究人员展示了一个具有 1024 根微针的穿透性微针阵列成功地记录了由大鼠大脑的刺激触发的信号。与目前已有的技术相比，这意味着过去十倍的微针和十倍的大脑覆盖面积。

更薄和透明的背衬

软背脑机接口比使用传统玻璃背衬的脑机接口更薄更轻。研究人员在高级功能材料论文中指出，轻质、柔韧的背衬可以减少与传感器阵列接触时带来的对脑组织的刺激。

柔性背衬是透明的。研究人员提出，可以利用这种透明度来进行涉及动物模型的基础神经科学研究。该团队展示了来自穿透微针阵列的同步电记录以及光遗传学光刺激。

1024-channel silicon microneedle array on flexible substrate (SiMNA on flex) for the detection of in vivo whisker air puff stimulation-evoked responses

双面光刻制造

新型大脑传感器背衬的灵活性、更大的微针阵列、可重构性和透明性都归功于研究人员使用的双面光刻方法。

从刚性硅晶片开始，该团队在刚性硅晶片的两侧构建微观电路和器件。首先，在硅晶片的顶部添加了一层柔韧的透明薄膜。在该薄膜中，嵌入了钛和金的双层迹线，使迹线与在硅片另一侧的制造针的位置对齐。

在添加了柔性薄膜之后，所有的硅都被蚀刻掉了，除了独立的、又薄又尖的硅柱。这些硅尖柱实际上就是微针，它们的底部与在硅被蚀刻掉后留下的柔性层内的钛金迹线对齐。这些钛金迹线通过标准和可扩展的微细加工技术图案化，从而以最少的人工劳动实现可扩展的生产。

迈向闭环系统

展望未来，研究者需要具有大空间覆盖的穿透式微针阵列来改善脑机接口，使其可用于“闭环系统”，以帮助行动严重受限的个体。比如，闭环系统可能给使用机械手的人提供关于机械手正在抓握的物体的实时反馈。

机械手上的触觉传感器会感知物体的硬度、质地和重量。传感器记录的这些信息将被转化为电刺激的形式，这些模式通过体外的电线传输到带有穿透性微针的脑机接口。这些电信号将直接向人的大脑提供有关物体硬度、质地和重量的信息。接下来，这个人会根据直接来自机械臂的感知信息来调整他们的抓握力。

这只是一种闭环系统的一个例子，一旦穿透式微针阵列可以做得更大以适应大脑并协调大脑“命令”和“反馈”中心的活动，这种系统就有可能实现。Dayeh 实验室发明并展示了此类应用所需的各种触觉传感器。

商业化途径

本文所述的先进双面光刻微细加工工艺已获得专利(US 10856764)。Dayeh 与人共同创立了 Precision Neurotek Inc.，以转化其实验室的创新技术，推进临床实践中的最新技术水平，并推动神经科学和神经生理学领域的发展。

补充资料：上文中提到的专利(US 10856764)简介

一种多电极共形穿透阵列的形成方法

优选的共形穿透多电极阵列包括非常柔韧，符合皮质组织使用条件的塑料衬底。多个穿透半导体微电极远离柔性衬底的表面，足够坚硬，因此可以穿透皮质组织。电极线部分地封装在柔性衬底内，并电连接到多个穿透半导体微电极。穿透性半导体电极包括尖端金属尖端。在这种创新的制造方法中，坚硬的穿透电极放置在非常柔软的衬底上，并通过电和衬底内的电极线连接。

原文标题：脑机 | 具有灵活背衬的新型脑机接口

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审核编辑：汤梓红