可扩展且侵入性最小的脑机接口平台

这项研究描述了一种构建神经接口的新方法，包括可贴合的薄膜电极阵列和微创手术输送系统，它们共同促进以双向方式与大部分皮质表面进行通信（实现记录和刺激）。研究人员展示了在不需要开颅的情况下，将包含超过2000个微电极的可逆植入物快速传送到Göttingen微型猪大脑两半球的多个功能区域的安全性和可行性，有效插入速度超过每通道40毫秒，且不损伤皮质表面。进一步证明了该系统在高密度神经记录、局灶性皮层刺激和精确神经解码方面的性能。这样的系统有望加快更好地解码和编码神经信号的工作，并扩大可以从神经接口技术中受益的患者群体。

1 系统概述

下图为系统概述。该系统配置用于体内神经记录和刺激，包括一组模块化薄膜微电极阵列，设计用于使用新型“cranial micro-slit”技术进行快速、微创硬膜下植入。每个微电极阵列包含 529个电极，直径范围从 20 到 200 μm，并连接到定制的硬件接口。硬膜下阵列植入后，每个微电极阵列模块的互连电缆穿过硬脑膜切口和颅骨微裂隙切口。整个系统配置如图1所示。

图1 系统概述

2 电极阵列表征

电极阵列表征。在插入之前对所有微电极阵列进行了表征。

图2 电极表征

上图2为电极表征。(a) 200、100、50和20 μm电极阵列的照片，分别用蓝色、紫色、粉色和橙色框框出。(b)每种电极尺寸的体外电化学阻抗谱(EIS)光谱，基于Randles电路进行等效电路拟合。(插图)在一个完整的 529 通道阵列上记录通道的体外（左）和体内（右）阻抗图，以 1 kHz 测量，每个电极尺寸的显微镜图像作为参考。激励和地面通道在图中以缺口表示。(c) 1 kHz时体内和体外阻抗的比值图，显示植入后大部分阵列的最小变化。

3 cranial micro-slit技术

图3 “cranial micro-slit”插入技术示意图

图3(a)为“cranial micro-slit”插入技术示意图，显示了基于薄膜的阵列引导进入硬膜下空间。首先进行头皮切口，然后是颅骨切口，两者都与要放置阵列的目标位置的皮质表面成一定角度；然后将硬脑膜凝固并切开（未显示）。图中显示了这些对齐切口的轨迹，以及安装在硬化垫片上的电极阵列，用于通过颅缝进行硬膜下植入。垫片插入阵列背面的聚酰亚胺袋中（顶部）。阵列垫片组件插入硬膜下空间（中部）。然后移除垫片，将阵列留在原位（底部）。

4 对齐和模块化

所制作的阵列有助于对齐和模块组装，如下图所示，因此可以将多个529电极模块连接起来，以相同密度覆盖皮层表面的更大部分，而不会显著增加阵列插入所需的复杂性、风险或阵列插入所需的时间。也可以通过一个狭缝插入多个阵列。

图4

5 神经记录

植入阵列采用多种模式进行多通道神经记录，捕捉自发皮层电活动(图5b)以及体感诱发电位(图5e)和视觉诱发电位(图5f)。

在记录自发性皮层活动的过程中，我们捕捉并分析了多个3分钟的时段。获得了皮质电图，并在时域和频域进行了复查。代表性的时间轨迹和光谱图如图5b-d所示。

图5 神经记录

在同一会话中，通过多个阵列和多个大脑功能区域获得了诱发电位。与后肢的触觉刺激相对应，躯体感觉皮层上的阵列显示了基于阵列的体感诱发电位(图5e)，视网膜时间同步光刺激后，视觉诱发电位也显示在视觉皮层上的阵列中(图5f)。

6 神经解码

通过自发活动和诱发电位，我们可以深入了解这个系统在神经解码中的作用。图6显示了自发神经活动的程度，从一个给定阵列上采样的参考位点记录的活动，与同一阵列上其他位点同时记录的活动相关程度。相关程度随距离减小(图6a)，随频率增加(图6b)。重要的是，即使距离很近的电极也表现出不完全相关的活动，尤其是在较高频率的情况下。

图6 神经解码

论文信息:

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.02.474656v1