【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】2024年11月1日，《自然·通訊》期刊在線發(fā)表了題為《血管內(nèi)輸送用于記錄皮層單細(xì)胞神經(jīng)活動(dòng)的超柔性神經(jīng)電極陣列》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心(神經(jīng)科學(xué)研究所)趙鄭拓研究組與復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院楊志剛醫(yī)師團(tuán)隊(duì)合作完成。該研究通過神經(jīng)介入手術(shù)方式，由頸部靜脈入路，將一種超柔性可植入神經(jīng)電極作為血管內(nèi)裝置到達(dá)竇匯處，穿過血管壁植入綿羊動(dòng)物模型的視覺皮層，并在自發(fā)和視覺誘發(fā)條件下，記錄了局部場電位(LFP)和多通道單細(xì)胞神經(jīng)活動(dòng)(AP)。此研究首次實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)物模型上免開顱微侵入式單細(xì)胞神經(jīng)活動(dòng)的記錄，為未來的腦機(jī)接口和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供全新的解決方案。
 

　　神經(jīng)電極是建立高性能腦機(jī)接口 (BMI) 的關(guān)鍵。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展以及在運(yùn)動(dòng)功能修復(fù)等臨床治療中展現(xiàn)的突出優(yōu)勢，不同類型的電極，尤其是顱內(nèi)電極的開發(fā)，對基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究和臨床應(yīng)用都做出了重大貢獻(xiàn)。
 

　　現(xiàn)有的部分神經(jīng)電極，例如猶他陣列已廣泛應(yīng)用于 BMI 中的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，能夠基于神經(jīng)活動(dòng)靈活地控制外部設(shè)備。Neuropixels 探針的超強(qiáng)采樣能力徹底改變了我們研究和理解大腦功能的方式。然而，這些電極是由剛性材料(例如金屬或硅基)制成，其長期植入后周圍組織中會(huì)積累神經(jīng)膠質(zhì)疤痕，導(dǎo)致信號(hào)衰減或調(diào)控的不穩(wěn)定。相比之下，超柔性微電極表現(xiàn)出了出色的生物相容性，能夠形成更優(yōu)的神經(jīng)元-電極界面，可長期穩(wěn)定地記錄和調(diào)節(jié)大腦活動(dòng)。然而，這些顱內(nèi)電極需要開顱手術(shù)才能直接植入大腦，這會(huì)加劇生物組織的炎癥反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，從而損害大腦功能。與此同時(shí)，介入方法由于無需開顱、恢復(fù)快住院時(shí)間短成為許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療的首選方法。Stentrode作為一種血管內(nèi)自膨鎳鈦合金支架式電極，已在綿羊上矢狀竇(SSS)中實(shí)現(xiàn)了血管皮層電圖(ECoG)記錄和刺激，并進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，用于重度癱瘓患者的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)假體，然而其信號(hào)精度的不足會(huì)使其應(yīng)用受限。因此，現(xiàn)有開顱植入式BMI手術(shù)損傷大和介入式BMI信號(hào)精度低是目前BCI在臨床轉(zhuǎn)化中最需解決的痛點(diǎn)，
 

　　為了解決上述痛點(diǎn)，本研究提供了全新的介入式超柔性微電極皮層單細(xì)胞神經(jīng)活動(dòng)記錄解決方案。趙鄭拓研究組通過改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝，制備出超長超柔性微電極，以滿足電極從綿羊頸部入路經(jīng)血管到達(dá)顱內(nèi)視覺皮層的路徑需求(圖a)。同時(shí)，研究組與中山醫(yī)院楊志剛醫(yī)生團(tuán)隊(duì)合作探索了適用于超柔性微電極的術(shù)式方案的可行性，成功利用神經(jīng)介入技術(shù)在綿羊靜脈系統(tǒng)中將電極遞送到目標(biāo)大腦皮層(圖b)。通過雙方合作成功在術(shù)中采集到高信噪比、精細(xì)的單細(xì)胞神經(jīng)活動(dòng)(圖c)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)近一步評(píng)估了該全新植入策略的安全性。考慮到裝置穿過血管壁期間可能出現(xiàn)的微出血，評(píng)估術(shù)后即刻的CT掃描結(jié)果中沒有觀察到腦組織內(nèi)明顯的出血跡象。同時(shí)術(shù)后第二天綿羊就表現(xiàn)出了獨(dú)立直立行走的能力，表明血管內(nèi)植入術(shù)式不會(huì)對大腦造成急性出血損傷。為了確認(rèn)術(shù)式是否有任何長期影響，通過術(shù)后7天、30天的MRI掃描結(jié)果，觀察到植入部位附近的腦組織表現(xiàn)出高度完整性，沒有觀察到組織損傷。進(jìn)一步的，團(tuán)隊(duì)從柔性微電極在大鼠血管內(nèi)3個(gè)月的埋植切片結(jié)果中，觀察到電極被完整的薄層內(nèi)皮組織所包覆，保證了長期使用下電極在血管內(nèi)位置的固定和穿出位置的完整密封性。這些結(jié)果證明了該血管內(nèi)植入策略的微創(chuàng)性與安全性。
 

　　圖注：(a)超柔性神經(jīng)電極陣列及其植入示意圖；(b)DSA術(shù)中植入影像及植入位置評(píng)估；(c)術(shù)中超柔性電極的神經(jīng)信號(hào)記錄
 

　　為了進(jìn)一步探索該方案的臨床轉(zhuǎn)化潛力，團(tuán)隊(duì)通過人體顱內(nèi)血管硅膠模型，模擬了裝置推廣到顱內(nèi)靜脈的分支(乙狀竇-橫竇-竇匯)和非分支(乙狀竇-橫竇-上矢狀竇，乙狀竇-橫竇-上矢狀竇-后額靜脈，乙狀竇-橫竇-直竇-大腦內(nèi)靜脈)區(qū)域的可行性。由于運(yùn)動(dòng)皮層(靠近SSS的足部和靠近后額靜脈的手部區(qū)域)和腹側(cè)紋狀體(靠近大腦內(nèi)靜脈)在癱瘓運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口和神經(jīng)系統(tǒng)疾病調(diào)控領(lǐng)域具有重要的臨床意義，本研究驗(yàn)證了裝置將電極遞送到這些區(qū)域的可行性。
 

　　此工作首次實(shí)現(xiàn)了通過血管內(nèi)介入方式將超柔性電極植入腦組織的電極植入方法，避免傳統(tǒng)開顱手術(shù)方式手術(shù)的較大損傷，彌補(bǔ)國際上現(xiàn)有的介入式植入方式信號(hào)精度低的不足，實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)多通道單細(xì)胞水平信號(hào)采集，為未來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量神經(jīng)信號(hào)交互，完成復(fù)雜外設(shè)控制與精細(xì)神經(jīng)調(diào)控提供了全新的方案，兼顧植入微創(chuàng)性和獲得信號(hào)高精度的特點(diǎn)，具有明顯優(yōu)勢。
 

　　中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心(神經(jīng)科學(xué)研究所)的博士后王興昭為該研究的第一作者，趙鄭拓研究員、楊志剛副主任醫(yī)師以及任馳副研究員參與指導(dǎo)了該項(xiàng)工作，課題組的其他成員積極參與。