科学家提出一种新型的柔性脑机接口

Artist rendition of the flexible, conformable, transparent backing of the new brain-computer interface with penetrating microneedles developed by a team led by engineers at the University of California San Diego in the laboratory of electrical engineering professor Shadi Dayeh. Credit: University of California - San Diego

近日，研究人员发明了一种先进的脑机接口，其具有灵活且可模压/可成型的背衬(backing)和穿透性微针。为这种脑机接口添加灵活的背衬，可以让设备更均匀地贴合大脑复杂的曲面，并使微针分布更均匀。这种微针比人类的头发细10倍，从柔软的背部伸出，在不刺穿表面微静脉的情况下穿透脑组织表面，并均匀地记录来自附近神经细胞的信号。

backing翻译为背衬或衬底是否合适，还请专家读者们指正。不过经查阅。背衬材料，指的是为控制密封材料的嵌填深度，防止密封材料和接缝底部粘结而设置可变形的材料。从这层意思上看，这里应该可以翻译为背衬。

这种新颖的脑机接口已经在啮齿动物身上进行了测试。该项研究已于 2 月 25 日在线发表在《Advanced Functional Materials》杂志上。这项工作由加州大学圣地亚哥分校电气工程教授 ShadiDayeh 实验室的一个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领导。

这种新的脑-机接口与“犹他阵列”(Utah Array)相当，而且性能优于后者，后者是现有的具有穿透性微针的脑机接口的黄金标准。犹他阵列已经被证明可以帮助中风患者和脊髓损伤患者。植入犹他阵列的人可以用他们的思想来控制机器人的四肢和其他设备，以恢复一些日常活动，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。

新的脑-机接口的支持是灵活的，兼容的，可重构的，而犹他阵列的支持是硬的和不灵活的。新型微针阵列支持的灵活性和一致性有利于大脑和电极之间更紧密的接触，这允许更好和更均匀地记录大脑活动信号。在啮齿类动物作为模型物种的研究中，研究人员已经证明，在植入物持续196天的过程中，稳定的宽带记录产生了稳健的信号。

此外，软脑-机接口的制造方式允许更大的传感表面，这意味着更大的脑表面区域可以同时被监测。在发表于《Advanced Functional Materials》的论文中，研究人员证明了一种由1024根微针组成的穿透性微针阵列成功地记录了由小鼠大脑精确刺激触发的信号。与目前的技术相比，这意味着10倍多的微针和10倍的大脑覆盖面积。

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

更薄和透明的衬底

这种软背衬的脑机接口比传统的玻璃背衬的脑机接口更薄、更轻。研究人员在论文中指出，轻质、柔韧的衬底可以减少与传感器阵列接触的脑组织的刺激。

灵活的背衬也是透明的。在这篇新论文中，研究人员证明，这种透明度可以用于进行涉及动物模型的基础神经科学研究。

双面光刻制造

这种新型大脑传感器的灵活性、更大的微针阵列足迹、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。

从概念上讲，从刚性硅晶片开始，该团队的制造工艺允许他们在刚性硅晶片的两侧构建微观电路和器件。一方面，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制造针的位置对齐。

另一方面，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、薄的、尖的硅柱。这些硅尖柱实际上就是微针，它们的基底与硅被蚀刻后残留在柔性层中的钛金痕迹保持一致。这些钛金痕迹是通过标准和可扩展的微细加工技术形成的，以最小的手工劳动实现可扩展生产。这种制造工艺为数万根微针提供了灵活阵列设计和可扩展性的可能性。

迈向闭环系统

展望未来，将需要具有大空间覆盖的穿透式微针阵列以改善脑机接口，使其可用于“闭环系统”，帮助行动严重受限的个体。例如，这种闭环系统可能会为使用机器人手的人提供关于机器人手正在抓握的物体的实时战术反馈。

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模式，这些模式通过体外的导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。反过来，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。

这只是这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。

论文信息：

Sang Heon Lee et al, Scalable Thousand Channel Penetrating Microneedle Arrays on Flex for Multimodal and Large Area Coverage BrainMachine Interfaces, Advanced Functional Materials (2022). DOI: 10.1002/adfm.202112045

https://medicalxpress.com/news/2022-03-brain-computer-interface-flexible.html

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