Science子刊 | 重大突破：新的传感器网格以破纪录的分辨率记录人脑信号

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的研究人员设计了一种新的大脑传感器阵列，具有密集的网格，由 1,024 或 2,048 个嵌入式皮质电图 (ECoG) 传感器组成。研究人员通过来自人类和大鼠的数据，证明了该阵列可以直接从人脑表面记录电信号，并以破纪录的细节记录下来。该论文于 2022 年 1 月 19 日发表在《Science Translational Medicine》期刊上。

这些薄而柔韧的ECoG传感器网格，如果获准用于临床，将直接从大脑皮层表面向神经外科医生提供大脑信号信息，其分辨率是目前可用的100倍。通过这超高分辨率的传感器网格可以了解大脑表面组织的哪些特定区域(或大脑皮层)是活跃的，以及何时是活跃的，可以为规划切除脑肿瘤和手术治疗耐药性癫痫的手术提供更好的指导。从长远来看，该团队正在研究这些高分辨率 ECoG 网格的无线版本，可用于对顽固性癫痫患者进行长达 30 天的大脑监测。该技术还具有永久植入的潜力，以改善瘫痪或其他神经退行性疾病患者的生活质量，这些疾病可以通过电刺激治疗，例如帕金森病、特发性震颤和称为肌张力障碍的神经运动障碍。

下一代皮层电图

神经外科医生通过直接放置在大脑表面的传感器网格记录大脑活动，也就是皮层电图 (ECoG)，用于切除脑肿瘤和治疗对药物或其他治疗无效的癫痫患者。

这项发表在《Science Translational Medicine》上的研究，证明具有 1,024 或 2,048 个传感器的网格可用于可靠地记录和处理直接来自人类和大鼠大脑表面的电信号。相比之下，目前手术中最常用的 ECoG 网格通常具有 16 到 64 个传感器，尽管也可以定制具有 256 个传感器的研究级网格。

能够以如此高的分辨率记录大脑信号，可以提高神经外科医生尽可能多地切除脑瘤的能力，同时最大限度地减少对健康脑组织的损害。对于癫痫，更高分辨率的脑信号记录能力可以提高神经外科医生精确识别癫痫发作的大脑区域的能力，这样就可以在不触及附近与癫痫发作无关的大脑区域的情况下移除这些区域。通过这种方式，这些高分辨率网格可以增强正常功能脑组织的保存。

一毫米和一厘米间距

镊子夹着一个薄薄的、塑料状的方形电子传感器。

一组新的大脑传感器阵列可以直接记录来自人类大脑表面的电信号，其记录的细节可以说是破纪录的。这种新型的大脑传感器采用薄而灵活的网格结构，内含1024或2048个嵌入式的皮质电图(ECoG)传感器。Photos by David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

如何才能实现以更高分辨率记录大脑信号呢？

研究人员经过实验，通过将单个传感器放置得更靠近些，同时保证附近传感器之间不会产生有问题的干扰。

该团队设计的 3cm x 3cm网格中放置了1,024 个传感器，并记录了 19 名参与者的脑组织的信号。在这种网格配置中，传感器彼此相距一毫米。相比之下，已经批准用于临床的 ECoG 网格通常具有相距一厘米的传感器。临床使用的网格每单位面积 1 个传感器，而新网格提供了每单位面积 100 个传感器，因此在解释大脑信号方面提供了比传统网格传感器100倍的空间分辨率。

用铂纳米棒制成的传感器

虽然使用基于铂的传感器来记录大脑神经元的电活动并不是什么新鲜事，但研究团队正在以一种新颖的方式使用铂:纳米级铂金棒。纳米棒的形状提供了比平面铂传感器更多的传感表面积，这有助于使传感器更敏感。传感系统基于这样一个事实，即铂纳米棒中的电子计数会随着大脑中神经元的放电而变化。

当神经元放电时，带电离子进进出出。带电离子的这种运动会导致神经元所在的脑脊液中的电压电位发生变化。脑组织和脑脊液中电压电位的这些变化通过电荷筛选过程改变了铂纳米棒中电子的数量.通过这种方式，铂纳米棒几乎实时且高精度地记录大脑皮层表面或附近的神经元放电。

各种尺寸的薄而柔韧的传感器网格

一个可弯曲的薄、透明、塑料状的方形电子传感器

人类的大脑总是在运动。例如，每一次心跳，大脑就随着血液的脉动而运动。基于铂纳米棒的传感器网格比目前临床批准的ECoG网格更薄、更灵活。这种薄而灵活的传感器网格可以随着大脑移动，实现更紧密的连接和更好的记录。此外，网格是用小的环形孔制造的，可以让脑脊液通过。通过这种方式，这些灌注孔支持传感器网格和大脑表面之间更好的界面，允许传感器轻松安全地置换液体。

新的铂纳米棒大脑传感器网格有10微米厚，大约是人类头发的十分之一。纳米棒被嵌入一种透明、柔软、有弹性的生物相容性材料中，这种材料被称为parylene(聚对二甲苯)，它与大脑表面直接接触。电信号从大脑传播，到达嵌入聚对二甲苯内的铂纳米棒的暴露表面。这种设计产生了一个传感器网格，与大脑表面形成了一个紧密而稳定的连接，提高了信号质量。

使用的制造工艺还允许各种尺寸和形状，这为更大和可定制的皮质覆盖开辟了新的可能性。

更精确的功能映射

切除脑肿瘤的挑战之一是肿瘤的存在会引发大脑的变化，包括改变大脑的哪些区域参与哪些功能。这些变化使得医生们为患者大脑制作个性化地图（“功能地图”）至关重要，以便在尽可能多地切除肿瘤的同时决定在哪里切割和不切割。

实验室里的四名科学家围在一个人脑模型周围。作者们：从左到右：Daniel R. Cleary、Andrew M. Bourhis、Shadi A. Dayeh 和 Youngbin Tchoe

该项研究的作者证明，使用铂纳米棒ECoG传感器可以非常精确地制作这些功能地图。特别值得一提的是，研究小组在四个不同的人的大脑中一个叫做中央沟的边界开发了功能地图。中央沟将大脑的躯体运动皮层和躯体感觉皮层分开。在这四名受试者中，研究人员将铂纳米棒网格放置在受试者的大脑表面，并要求他们进行一系列活动，包括抓手。有了这些信息，研究人员重建了这个关键地标在大脑中的实际位置，以及大脑中与手指感觉和手抓相对应的神经相关部分。铂纳米棒网格的结果与已经批准用于临床的低分辨率 ECoG 网格的结果一致，但更精确地确定了这一关键功能边界在躯体运动皮层和躯体感觉皮层之间的确切位置。

下一步

该团队正在开展一系列举措来推进这些网格，以便它们有资格获得短期、中期和长期使用的批准。例如，由加州大学圣地亚哥分校电气工程教授 Shadi Dayeh 领导的团队通过推进创新神经技术® (BRAIN) 计划获得了 1225 万美元的 NIH 大脑研究资助，用于开发传感系统，下一步将是对难治疗的癫痫患者进行临床试验。这笔拨款也资助了使系统无线化的努力，这对于创建用于中长期使用的可植入网格非常重要。

参考

https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/new-sensor-grids-record-human-brain-signals-in-record-breaking-resolution

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abj1441