高分辨率记录大脑表面的电信号，可以帮助外科医生提高切除脑肿瘤和治疗癫痫的能力，并为中长期脑机接口开辟更多新可能。
据麦姆斯咨询报道，由加利福尼亚大学圣地亚哥分校雅可布工程学院电气工程系教授Shadi Dayeh领导的一支研究团队，通过人类和老鼠的实验数据，验证了一种新型大脑传感器阵列，能够以破纪录的细节直接从人脑表面记录电信号。他们开发的新型大脑传感系统由1024或2048个嵌入式大脑皮层电图（ECoG）传感器组成密集栅电极。该论文已发表于近期出版的Science Translational Medicine杂志。
这些薄而柔韧的ECoG传感器栅电极，如果获准用于临床，能够以相比现有产品高100倍的分辨率，直接从大脑皮层表面为外科医生提供大脑信号。这种分辨率级别的丰富数据，可以了解大脑表面或大脑皮层组织哪些特定区域处于活动状态以及何时处于活动状态，从而为手术切除脑肿瘤和抗药性癫痫的手术治疗提供更好的指导。
从长远来看，该团队正在研究的高分辨率ECoG栅电极的无线版本，还可以为顽固性癫痫患者提供长达30天的大脑监测。此外，这项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，如帕金森病、原发性震颤和神经运动障碍等。
下一代皮层脑电图
通过直接放置在大脑表面的传感器栅电极记录大脑活动（ECoG），已经成为一种通用工具，被外科医生用于切除脑肿瘤，以及治疗对药物或其他疗法无效的癫痫。
这项新研究提供了广泛的同行评审数据，证明这种具有1024或2048个传感器的ECoG栅电极，可以用于可靠地记录并处理直接来自人类和大鼠大脑表面的电信号。相比之下，目前外科手术中最常用的ECoG栅电极通常只有16到64个传感器，此外，还有可以定制的具有256个传感器的科研级ECoG栅电极。
能够以如此高分辨率记录大脑信号，可以帮助外科医生在最大限度减少对健康脑组织损害的前提下，尽可能多地切除脑肿瘤。对于癫痫治疗，更高分辨率的大脑信号记录能力，可以帮助外科医生更精确地识别癫痫发作起源的大脑区域，从而可以在不接触附近无关区域的情况下，切除癫痫发作起源区域。有基于此，利用这些高分辨率ECoG栅电极可以确保正常功能脑组织的留存。
研究证实了这种包含数千个传感器的ECoG栅电极的功能，也为神经科学研究提供了新机遇，可以更深入地了解人脑的功能。基础神经科学的进步，也可以反过来改善基于对大脑功能理解的治疗。
1 mm与1 cm的分辨率差异
研究团队通过将单个传感器排布的位置彼此更加靠近，且不会在传感器之间产生干扰，实现了更高的分辨率。例如，该团队利用包含1024个传感器的3 cm x 3 cm栅电极记录了19位志愿者的脑组织信号。
这款栅电极中的传感器彼此间隔1 mm。相比之下，目前批准用于临床的ECoG栅电极，其传感器通常彼此间隔1 cm。更小的间距为新栅电极提供了单位面积100个传感器，相比之下，临床使用的栅电极单位面积仅1个传感器，因此，在解释大脑信号时新栅电极可以提供100倍的空间分辨率。
用铂纳米棒制作传感器
虽然使用基于铂的传感器记录大脑神经元的电活动并不新鲜，但该研究团队创新地采用了纳米级的铂棒。相比传统的扁平铂传感器，纳米棒形状提供了更多的传感表面积，这有助于提高传感器的灵敏度。该传感系统的原理基于铂纳米棒中的电子计数随着大脑中神经元的放电而变化。
神经元激发时，带电离子会进出神经元。这种带电离子的运动，使神经元所在的脑脊液中的电压电位发生变化。脑组织和脑脊液中的电压电位变化通过电荷筛选过程改变铂纳米棒中的电子数。通过这种方式，铂纳米棒可以近乎实时、高精度地记录大脑皮层表面或附近神经元的放电。
这种薄而柔韧的传感器栅电极可以制成各种尺寸
人类的大脑总是在运动。例如，每一次心跳，大脑都会随着血液的脉动而运动。基于铂纳米棒的传感器栅电极比目前临床批准的ECoG栅电极更薄、更柔韧。这种特性使新型传感器栅电极能够随大脑移动，从而实现更紧密的连接和更好的信号读出。
此外，这些栅电极具有环形小孔，允许脑脊液通过。通过这种方式，这些小孔可以使传感器栅电极和大脑表面之间建立更好的接口，方便传感器安全地置换流体。
这种新型铂纳米棒传感器栅电极厚度仅为10 um，约为人类头发丝的十分之一，相比当前临床批准的ECoG栅电极薄100倍。铂纳米棒被嵌入透明、柔韧的生物相容性材料聚对二甲苯中，与大脑表面直接接触。
电信号从大脑通过脑脊液传输，到达嵌入聚对二甲苯的铂纳米棒的暴露表面。这种设计实现了一种与大脑表面形成紧密稳定连接的传感器栅电极，提高了信号质量。
其制造工艺还支持各种尺寸和形状，为尺寸更大或可定制的栅电极开辟了新可能。同时从更大的脑区域收集信号，有望解开更多的大脑奥秘。
基础神经科学研究
该团队最新公布的大鼠研究数据，也证明了新型传感器栅电极可以为基础神经科学研究开辟新途径。例如，研究人员在论文中称，他们首次通过脑表面记录绘制出大鼠的皮质柱图。
在此之前，皮质柱图的绘制只能通过在大脑表面放置一根单独的探针，进行顺序电刺激并在大脑表面移动来完成。简单来说，铂纳米棒栅电极在时间和空间上提供了高分辨率数据，为揭示大脑如何工作开辟了许多新可能。
下一步研究
该研究团队正在同时开展一系列举措，以推进这种新型栅电极通过审查批准，以供短期、中期和长期使用。例如，由加州大学圣地亚哥分校电气工程教授Shadi Dayeh领导的团队获得了美国国立卫生研究院（NIH）1225万美元的拨款，重点开发基于这种新型栅电极的传感系统，下一步将是针对疑难癫痫患者的临床试验。此外，还将推进该系统的无线化研究，这对于其中长期应用很重要。
延伸阅读：
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