透明的大脑植入物可以从表面读取深层神经活动

加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种神经植入物，可以提供坐在大脑表面时大脑深处活动的信息。该植入物由一条薄而透明的柔性聚合物条带组成，条带中填充了密集的石墨烯电极阵列。这项技术在转基因小鼠中进行了测试，使研究人员更接近于建立一个微创脑机接口(BCI)，通过使用大脑表面的记录，提供关于深层神经活动的高分辨率数据。

该作品于2006年1月11日发表自然纳米技术.

“我们正在利用这项技术扩大神经记录的空间范围，”该研究的高级作者Duygu Kuzum说，他是加州大学圣地亚哥雅各布工程学院电气和计算机工程系的教授。“尽管我们的植入物位于大脑表面，但它的设计超越了物理传感的限制，因为它可以从更深层推断神经活动。”

这项工作克服了当前神经植入技术的局限性。例如，现有的表面阵列是微创的，但它们缺乏捕捉大脑外层以外信息的能力。相比之下，带有细针的电极阵列可以穿透大脑，能够探测更深的层，但它们经常会导致炎症和疤痕，随着时间的推移，会损害信号质量。

加州大学圣地亚哥分校开发的新神经植入物提供了两个世界的最佳选择。

该植入物是一种薄的、透明的、柔性的聚合物带，符合大脑的表面。该条嵌入了微小的圆形石墨烯电极的高密度阵列，每个电极的直径为20微米。每个电极都通过一根微米细的石墨烯导线连接到电路板上。

在对转基因小鼠的测试中，植入物使研究人员能够同时捕获关于两种类型神经活动的高分辨率信息-电活动和钙活动。当被放置在大脑表面时，植入物记录了外层神经元的电信号。与此同时，研究人员使用双光子显微镜通过植入物照射激光，对位于表面下250微米深处的神经元钙峰进行成像。研究人员发现了表面电信号和深层钙峰值之间的相关性。这种相关性使研究人员能够使用表面电信号训练神经网络来预测不同深度的钙活动-不仅针对大量神经元，而且针对单个神经元。

库祖姆说:“神经网络模型被训练来学习表面电记录和深层神经元钙离子活性之间的关系。”“一旦它了解了这种关系，我们就可以使用该模型从表面预测深度活动。”

能够从电信号预测钙活性的一个优点是它克服了成像实验的局限性。当对钙尖峰成像时，受试者的头部必须固定在显微镜下。而且，这些实验每次只能持续一两个小时。

“由于电记录没有这些限制，我们的技术使进行更长时间的实验成为可能，在实验中，受试者可以自由走动并执行复杂的行为任务，”该研究的共同第一作者Mehrdad Ramezani说，他是库祖姆实验室的电气和计算机工程博士生。“这可以更全面地了解动态、真实世界场景中的神经活动。”

设计和制造神经植入物

该技术的成功归功于几个创新的设计特征:透明度和高电极密度与机器学习方法相结合。

库祖姆说:“这种以高密度嵌入的新一代透明石墨烯电极使我们能够以更高的空间分辨率对神经活动进行采样。”“因此，信号质量显著提高。这项技术更令人瞩目的是集成了机器学习方法，使从表面信号预测深层神经活动成为可能。”

这项研究是加州大学圣地亚哥分校多个研究小组的合作成果。该团队由开发多模态神经接口的世界领导者之一库祖姆领导，包括纳米工程教授埃图格鲁尔·库布库，他专门研究石墨烯材料的先进微纳米制造技术;电气和计算机工程教授Vikash Gilja，他的实验室整合了基础神经科学、信号处理和机器学习领域的特定领域知识，以解码神经信号;神经生物学和神经科学教授小宫山贵树的实验室专注于研究柔性行为背后的神经回路机制。

透明度是这种神经植入物的关键特征之一。传统的植入物使用不透明的金属材料作为电极和导线，在成像实验中，这些材料会阻挡电极下方神经元的视野。相比之下，使用石墨烯制成的植入物是透明的，这为显微镜在成像实验中提供了完全清晰的视野。

“记录电信号和神经活动的光学成像同时无缝集成只有通过这项技术才有可能实现，”库祖姆说。“能够同时进行这两项实验为我们提供了更多相关数据，因为我们可以看到成像实验如何与电记录进行时间耦合。”

为了使植入物完全透明，研究人员使用了超细长的石墨烯线代替传统的金属线将电极连接到电路板上。然而，Ramezani解释说，将单层石墨烯制成细长的电线是一项挑战，因为任何缺陷都会使电线失去功能。“石墨烯导线中可能会有一个间隙，阻止电信号流过，所以你最终基本上只能看到一根断裂的导线。”

研究人员使用一种巧妙的技术解决了这个问题。他们没有将导线制作成单层石墨烯，而是制作成中间掺杂硝酸的双层结构。Ramezani说:“通过将两层石墨烯置于另一层之上，一层中的缺陷很有可能被另一层掩盖，从而确保制造出具有改善导电性的全功能、薄而长的石墨烯线。”

据研究人员称，这项研究展示了迄今为止表面放置神经植入物上最密集的透明电极阵列。实现高密度需要制造极小的石墨烯电极。这提出了一个相当大的挑战，因为尺寸缩小的石墨烯电极增加了它们的阻抗——这阻碍了记录神经活动所需的电流流动。为了克服这一障碍，研究人员使用了Kuzum实验室开发的一种微制造技术，该技术涉及将铂纳米颗粒沉积在石墨烯电极上。这种方法显著改善了通过电极的电子流，同时保持了电极的微小和透明。

后续步骤

该团队接下来将专注于在不同的动物模型中测试这项技术，最终目标是在未来实现人类翻译。

库祖姆的研究小组还致力于利用这项技术推进基础神经科学研究。本着这种精神，他们正在与美国和欧洲的实验室分享这项技术，为各种研究做出贡献，从了解血管活动如何与大脑中的电活动相联系到研究大脑中的位置细胞如何高效地创建空间记忆。为了使这项技术更广泛地应用，库祖姆的团队已经申请了美国国立卫生研究院(NIH)的拨款，以资助扩大生产规模和促进全球研究人员采用这项技术的努力。

“这项技术可以用于如此多不同的基础神经科学研究，我们渴望尽自己的一份力量，加速更好地了解人类大脑的进展，”库祖姆说。

论文题目:“用于从表面电位记录预测深层细胞钙活性的高密度透明石墨烯阵列。”合著者包括加州大学圣地亚哥分校的金桢勋*、刘鑫、池仁、阿卜杜拉·阿洛特曼、查薇娜·德-埃克纳姆库尔和麦迪逊·威尔逊。

*研究共同第一作者

这项研究得到了美国海军研究办公室(N000142012405、N000142312163和N000141912545)、美国国家科学基金会(ECCS-2024776、ECCS-1752241和ECCS-1734940)和美国国立卫生研究院(R21 EY029466、R21 EB026180、DP2 EB030992、R01 ns 040)的支持这项工作部分在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)进行，该基础设施是国家纳米技术协调基础设施的成员，由国家科学基金会(格兰特ECCS-1542148)支持。

来源: Materials provided by University of California - San Diego. Original written by Liezel Labios.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Mehrdad Ramezani, Jeong-Hoon Kim, Xin Liu, Chi Ren, Abdullah Alothman, Chawina De-Eknamkul, Madison N. Wilson, Ertugrul Cubukcu, Vikash Gilja, Takaki Komiyama, Duygu Kuzum. High-density transparent graphene arrays for predicting cellular calcium activity at depth from surface potential recordings. Nature Na
注明chnology, 2024; DOI: 10.1038/s41565-023-01576-z