用于離體雙向腦機(jī)接口的基于納米材料的微電極陣列

根據(jù)信號獲取的方式，普遍將現(xiàn)有的腦機(jī)接口分為侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口，以應(yīng)對不同的使用場景。侵入式腦機(jī)接口需要手術(shù)將電子器件植入顱內(nèi)。而非侵入式腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)方式為將器件置于顱外，或者借助于細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)直接使用不在顱內(nèi)的腦細(xì)胞。根據(jù)研究的對象，可以再將非侵入式腦機(jī)接口分為在體非侵入式腦機(jī)接口和離體非侵入式腦機(jī)接口。離體腦機(jī)接口兼?zhèn)淞朔乔秩胧侥X機(jī)接口（接受度高且應(yīng)用潛力巨大）的優(yōu)點(diǎn)和侵入式腦機(jī)接口（信號準(zhǔn)確性和時空分辨率高）的優(yōu)點(diǎn)。

腦機(jī)接口的分類

近年來，以“培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元學(xué)會打游戲”為代表的研究引起了對離體雙向腦機(jī)接口的關(guān)注。離體雙向腦機(jī)接口可以利用體外培養(yǎng)的大腦了解神經(jīng)動態(tài)，認(rèn)識腦功能，應(yīng)用大腦生物智能。

離體雙向腦機(jī)接口的核心器件是微納電極陣列，因?yàn)槠淇梢圆⑿杏涗浂鄠€神經(jīng)元，提供細(xì)胞水平、細(xì)胞群體水平和網(wǎng)絡(luò)水平等多尺度的神經(jīng)活動信息。微納電極陣列將納米材料和微電極陣列結(jié)合，以滿足與體外神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行高效即時雙向通訊的需求。這是因?yàn)?，納米材料具有更高的原子利用效率，能夠增加電化學(xué)反應(yīng)面積，提供更多的活性反應(yīng)位點(diǎn)，且其與生物材料的相互作用能提高生物相容性。基于納米材料的高性能微納電極陣列是實(shí)現(xiàn)體外腦機(jī)交互的重要研究工具。然而，目前缺少對相關(guān)器件制造、使用和應(yīng)用前景的總結(jié)歸納。

該綜述首先回顧了微電極陣列的設(shè)計(jì)和制造，并重點(diǎn)總結(jié)了納米材料在電極表面改性上的應(yīng)用。目前，已有多種納米材料被應(yīng)用于微電極陣列的表面改性。納米材料修飾能夠有效增加電極的粗糙度和孔隙率，從而提供更好的電化學(xué)活性表面積，并在電子-離子交互速率的限制范圍內(nèi)提供了更好的電荷注入能力。納米顆粒也能與生物材料實(shí)現(xiàn)更緊密的接觸，獲得更精確的神經(jīng)信號；也在神經(jīng)調(diào)控中充當(dāng)納米級的高效生物電子轉(zhuǎn)化器，這對于雙向通訊是相當(dāng)有利的。

用于微電極陣列表面修飾的納米材料

基于納米材料的微電極陣列用于離體雙向腦機(jī)接口

接著，研究人員總結(jié)了解碼神經(jīng)信號的層次化分析方法，介紹了從單細(xì)胞水平、細(xì)胞群體水平到網(wǎng)絡(luò)動態(tài)水平的分析要點(diǎn)。利用這種雙向的腦機(jī)接口可以實(shí)現(xiàn)多種功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。其應(yīng)用可以大致分為四類，最基本的應(yīng)用是對離體培養(yǎng)的大腦進(jìn)行生理研究以闡明基本生物機(jī)理。然后到對相關(guān)生物機(jī)制的運(yùn)用，從生物調(diào)控到生物傳感。

而神經(jīng)計(jì)算則是對離體大腦能實(shí)現(xiàn)感受和控制兩個功能的結(jié)合，充分利用了離體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可塑性的高效低功耗并行處理能力。體外雙向腦機(jī)接口不僅有助于實(shí)現(xiàn)更好的腦-機(jī)交互，更有望實(shí)現(xiàn)腦-腦交互，讓共享大腦成為可能。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)水平分析

最后，從18世紀(jì)起，就有科學(xué)家用電信號進(jìn)行與神經(jīng)細(xì)胞之間的通訊。然而這種交互并沒能被完全理解。通過微電極陣列可以同時并行地獲得細(xì)胞級電生理活動信息，具有優(yōu)越的時空分辨率。通過多層次分析神經(jīng)電生理信號為解碼神經(jīng)活動提供了依據(jù)。同時，利用微電極陣列注入神經(jīng)調(diào)控信息，能夠高度可控地設(shè)定刺激位置數(shù)量、刺激位置、刺激頻率、刺激幅度、刺激時間和刺激脈沖序列等參數(shù)，便于研究神經(jīng)調(diào)控的功能和揭示雙向通訊的底層邏輯。

用于體外神經(jīng)調(diào)控的電刺激范式

總體而言，該綜述有利于促進(jìn)離體雙向腦機(jī)接口的研究與其在腦科學(xué)和人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用，為未來腦機(jī)接口的發(fā)展作出了展望。

審核編輯：劉清