面向闭环脑机接口的柔性高密度微电极阵列综述

柔性高密度微电极阵列（HDMEA）已成为闭环脑机接口（BMI）的关键组件，为记录、刺激提供高分辨率功能。这些柔性阵列相比刚性阵列更具优势，例如，减少接口和组织之间的不匹配，无惧微小运动，以及持续的长期性能等。

微电极阵列（MEA）由紧密排列的微电极网格组成，可用于检测来自神经元的电生理信号或传递电脉冲以刺激神经活动。微电极阵列通常是闭环脑机接口不可或缺的组成部分，充当了解码神经信号并将电刺激传回大脑的组件，从而实现双向通信。传统的单通道或多通道（相距>200μm）微电极阵列在闭环脑机接口的开发和应用中发挥了至关重要的作用。

与传统的微电极阵列相比，HDMEA的密度和通道数显著提高，具有多种优势。首先，HDMEA能够以更高的空间分辨率和更高的精度检测、刺激神经活动，从而实现更精细的神经网络映射，更好地理解复杂的大脑功能。其次，高密度电极提供了更全面的数据集。丰富的数据对于先进神经解码算法至关重要，进而可以将神经活动转化为更准确、更细致的脑机接口命令。第三，在较低密度的阵列中，来自多个神经元的信号通常在较大电极区域被平均化，造成关键信息丢失。HDMEA可以减少这种空间平均，从单个或小组神经元捕获更多离散信号。最后，随着更多电极与神经元相互作用，HDMEA有望促进脑机接口和大脑之间更复杂、更微妙的相互作用，从而带来更复杂的应用和治疗。

HDMEA可分为刚性和柔性两种类型，具体取决于用于制造微电极的基板材料。目前，最先进的HDMEA是采用硅制造技术的刚性HDMEA。然而，刚性HDMEA经常遇到局限性，包括炎症反应、组织损伤、长期稳定性有限以及生物相容性等问题。

与各种刺激模块集成的柔性HDMEA

柔性微电极阵列通常由聚酰亚胺或聚对二甲苯等软性材料制成，可以巧妙地模制神经组织，减少接口和脑组织之间的不匹配，从而降低组织损伤的风险，并确保与神经元更稳定、更紧密的相互作用。此外，柔性微电极阵列的适应性使其能够顺应大脑内的生理变化和运动，保持接合，从而支持脑机接口系统的寿命和鲁棒性。因此，微电极阵列的柔性不仅有益而且至关重要，能确保闭环脑机接口在研究和临床应用中的可行性、可靠性和有效性。进一步融合柔性HDMEA的优点，使柔性基板能够适应高分辨率电极阵列，这对于识别复杂神经元动力学具有不可估量的价值，特别是在精度和适形性至关重要的动态或软组织环境中。

除了柔性和高密度，面向闭环脑机接口的理想柔性HDMEA还包括几个关键特性。其中包括生物相容性、高质量性能和长期稳定性等。然而，开发具有这些理想特性的柔性HDMEA需要面对HDMEA固有的普遍挑战，以及与其柔性设计相关的特定挑战，例如机械、电气、生物、化学和互连问题等。为此，研究人员采用了多种策略，涵盖了材料探索、柔性HDMEA设计创新、先进制造策略、工程优化以及整体组合策略等，旨在提高柔性神经接口的性能并最大限度地降低风险。

未来柔性HDMEA策略

据麦姆斯咨询介绍，美国密歇根州立大学（Michigan State University）和定量健康科学与工程研究所的研究人员在Front. Neurosci.期刊上发表了一篇题为“Flexible high-density microelectrode arrays for closed-loop brain–machine interfaces”的综述文章，对闭环脑机接口领域的柔性HDMEA进行了全面综述。该综述详细分析了HDMEA高密度配置的构成、HDMEA设计和制造的核心原理，同时还展示了该领域的最新范例。该综述客观总结并讨论了当前该领域面临的一系列挑战，包括机械、电气、化学、生物以及与高密度互连相关的挑战。随后，还讨论了材料、设计、表面改性和制造方面的创新策略及最新进展，进而为下一代柔性HDMEA铺平道路。该综述旨在阐明柔性HDMEA的发展轨迹，详细介绍当前的研究现状，并预测柔性HDMEA对闭环脑机接口的未来影响。

未来柔性HDMEA先进材料案例

总之，柔性HDMEA已成为闭环脑机接口极具前景的技术之一，与传统的刚性电极相比，它具有更高的分辨率、更大的选择性和更好的生物相容性。然而，这些阵列的开发和应用仍然存在许多挑战，例如机械和电气稳定性、生物相容性、功率和能源效率以及临床转化等。

闭环脑机接口中集成的先进柔性HDMEA概览

对于柔性HDMEA的未来研究方向，新材料的开发至关重要，特别是对于更理想的柔性基材、导电材料和封装解决方案。这些材料需要稳定、高效且耐用，才能实现长期使用。电极表面改性策略也至关重要，以确保长期效率和稳定性。精确激光图案化和3D打印等制造技术的进步，将极大促进具有复杂结构和增强功能的HDMEA。在连接技术方面，集成无线系统和远程监控将提高这些器件的临床适用性。研究柔性HDMEA在闭环脑机接口中的应用，以及它们在从啮齿动物和人类到昆虫等小型生物中的应用，为理解神经机制、疾病诊断和治疗以及生物检测提供了新机遇。

论文链接：
https://doi.org/10.3389/fnins.2024.1348434

 

 

 

 

审核编辑：刘清