Nat Neurosci脑机接口技术突破：实现对相同的神经元进行长期稳定的单细胞水平记录

马斯克的Neuralink成立于2017年，目标是研发超高带宽的脑机接口系统，实现与人工智能的共存。而高通量、低创伤、长期在体是侵入式脑机接口电极需要突破的三大技术。

在动物中，对相同神经元的长期稳定记录，对于理解神经活动很重要，可改善当前的脑机接口性能。然而目前对相同神经元进行长期稳定记录还存在诸多挑战，如：

(1)可植入的电子和光学工具可以以单细胞和单尖峰分辨率（single-spike）记录神经活动，但由于这些装置和脑组织之间的机械和结构差异，会导致免疫反应和记录漂移。

(2)星形胶质细胞和小胶质细胞的增殖以及电极-神经元界面的相对剪切和重复运动会破坏记录设备和神经元之间的相对位置，导致记录的长期不稳定。

(3)光学成像技术还受到光穿透深度和穿过组织的三维（3D）体积扫描的限制。

为了应对这些挑战，近日，美国哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）Jia Liu研究团队开发了一种将完全展开的组织状网状电子设备植入小鼠大脑的方法[Fig.1]，这种电子设备可以在神经网络内形成交织结构，消除免疫反应和探针漂移。能够在动物的整个成年生活中对相同的神经元进行长期稳定的单细胞水平记录。

Figure 1 柔性网状电子设备在脑内的微创植入

完全展开的网状电子设备可与神经元网络形成3D交织

为了探索该设备的植入能力，研究人员在皮层、海马和丘脑中植入了一个2mm宽、3mm长的网状电子设备。植入6周后脑组织中网状电子器件的代表性3D重建图像显示，该设备完全展开并在多个大脑区域中与神经元和星形胶质细胞交织。海马CA1区的放大视图显示了网状结构在神经元和星形胶质细胞的均匀分布[Fig.2]。同时，该开放式网状结构对周围神经元的损伤最小，免疫反应可忽略不计。

Figure 2 展开的网状电子设备与多个大脑区域的神经元网络无缝整合

 多个脑区实现稳定记录

为了评估记录的稳定性，研究人员将具有32个通道、600μm宽的网状电子器件和具有16个通道、300μm宽网状电子器件植入不同的大脑区域，统计结果表明，300μm宽、16通道网状电子设备每电极的神经元数量、振幅和信噪比（SNR）在植入后10天稳定，并且来自600μm宽、32通道的参数在植入后20天仍然稳定[Fig.3]。而之前的脑部探针在植入后，振幅、信噪比和神经元计数每周都有所下降，这表明，展开的开放式网状电子设备与神经元和组织形成了长期稳定的界面。

Figure 3 跨多个大脑区域的长期稳定记录

 相同单一神经元的稳定追踪

接下来，为了进一步证明网状电子设备稳定跟踪相同神经元动作电位的能力，研究人员设计了具有四极电极阵列的网状电子设备。在7个月的慢性记录中，基于尖峰波形和神经元的估计位置，评估了来自相同神经元记录的长期稳定性。

结果表明，在记录过程中，每个单一神经元波形的形状及其在UMAP的2D嵌入空间中的投影是稳定的，证明了在整个慢性记录过程中良好隔离的单个神经元的持续记录。同时，91.83% ± 5.92%的神经元显示出几乎恒定的位置（<10 μm）[Fig.4]。总之，所有结果都证明了网状电子器件能够长期稳定地追踪来自相同神经元的单个单位动作电位。

Figure 4 来自相同神经元的视觉刺激依赖性神经活动的长期稳定跟踪

总结与展望

该团队开发的超薄穿梭整体集成的网状电子设备，可以通过开放的网状结构和最小的组织损伤植入到多个大脑区域。开放式网状结构可以与大脑中的神经网络交织在一起，实现无免疫反应植入和长期稳定的3D电极-神经元整合。这种结构稳定性使我们能够跟踪小鼠整个成年生命中相同神经元的单一单位动作电位，直到自然死亡。

未来通过集成高带宽无线数据传输系统，这将大大提高柔性电子设备对自由移动动物行为研究的能力。将使我们能够在自由活动的动物的整个生命周期内，对来自相同神经元的神经活动进行长期稳定的跟踪。长期稳定地跟踪单个神经元的活动模式，将为神经科学研究、下一代脑机接口和生物电子医学提供新的机会。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41593-023-01267-x

来源：brainnews