具有穿透性微针的新型脑机接口

脑机接口（BCI）使瘫痪患者和残疾人可以使用大脑信号控制外部设备。发表在《Advanced Functional Materials》上的一项新研究，揭示了世界上第一个具有灵活背衬和穿透性微针的脑机接口。

以机器学习（即深度神经网络）为代表的人工智能（AI）的进步，加速了BCI行业的发展。AI用于辅助神经信号中的模式识别。据Allied Market Research研究报道，2020年全球脑机接口市场规模为14.9亿美元，预计到2030年将增加到54.6亿美元，2021到2030年的复合年增长率为13.9%。

加州大学圣地亚哥分校和波士顿大学的研究人员共同研究构建了一种新型脑机接口，该接口具有可扩展且灵活的1024通道穿透硅微针阵列（SiMNA）。SiMNA是第一个具有灵活背衬的穿透性微针阵列。

图1：用于多模式记录的柔性基板上的32通道硅微针阵列。a)32通道SiMNA的示意图。左边的插图显示SiNM涂层在Si上的SiMN尖端的放大图，右边的插图显示了PtNM尖端表面的扫描电镜(SEM)图像。

SiMNA是对10-200µm范围内相对较短的硅（Si）微针(SiMNs)的等离子体蚀刻，以及对更高范围的微针进行蚀刻、等离子体蚀刻和湿法蚀刻的组合方法。微针尖端直径约为10µm，在Ni掩膜下涂覆约0.5µm厚的铂-银(Pt-Ag)合金。微针蚀刻后，Ag溶解形成Pt纳米网(PtNM)作为界面材料；由于PtNM的多孔形貌，增加了Pt的活性表面积，如图1a所示。图1b显示了单个SiMN的高长宽比，以及通过聚焦离子束(FIB)切片获得的底层结构的横截面图像。

据加州大学圣地亚哥分校报道，这种新型的脑机接口与'犹他阵列'相当，并且优于'犹他阵列'。犹他阵列是具有穿透性微针脑机接口的现有黄金标准。

与犹他阵列不同，新型硅微针阵列的新型脑机接口由柔性，透明和更薄的材料制成。基于柔性基板的透明特性，研究人员利用光学刺激和成像对动物的神经活动进行了探究。新型脑机接口记录了长达196天的啮齿动物的神经活动。这些记录捕获了啮齿动物宽带神经活动的复杂时空映射。

利用光遗传学和双光子荧光显微成像技术

记录麻醉小鼠体内电生理信号

如图2a-c所示，穿透SiMNAs背衬的光学通道，能够通过阵列进行双光子成像。图2a显示了实验装置示意图，图2b显示了植入桶状皮层的阵列的俯视图，SiMNA下方的血管清晰可见。图2c是其中一根微针的放大视图，该微针刺入邻近表面小静脉的皮质组织，但未刺破血管。为了评估SiMNA在记录光刺激诱发的局部场电位方面的能力，使用两种0.3和1.8mW不同的激光强度，将5ms，450nm的激光脉冲定位在32通道SiMNA覆盖的皮质区域。32个通道响应1.8mW光刺激的未滤波信号的平均信噪比和标准偏差(如图2d所示)。对于聚焦在阵列中心的激光束，32个通道的平均信噪比为24.33±12.04。

图2：麻醉小鼠体内电生理信号记录。a)光遗传实验设置示意图，光遗传的显微镜物镜（顶部），定制钛头框架（红色）支持定制3d打印头柱（黄色），PCB连接器（绿色）连接记录系统。

利用光遗传学和双光子荧光显微成像技术，

记录清醒小鼠体内电生理信号

如图3a所示，对头部固定的清醒小鼠进行了感觉刺激诱发反应，并进行了电生理信号记录。图3b显示了一组 SimNs 的 LFP 和 MUA 响应，其中 22-28 毫秒的刺激后反应用浅蓝色框突出显示。图 3c 显示了一个通道的放大视图，其中校正后的 MUA 揭示了感觉刺激诱发反应的两个关键阶段。第一个阶段，用红色箭头突出显示，表示在刺激后，过了 23 毫秒时，对吹气的初始感觉反应，与先前研究报告的啮齿动物模型的反应时间类似。第二个阶段，用绿色箭头突出显示，表示小鼠由于吹气反应而产生的皮层活动，这与先前研究报道的由感觉刺激引起的反射性拍打一致。拍打反应开始于刺激后 70 ms 左右，对应于 LFP 反应中的负峰值。

SimNAs 还可以用于记录单个单元的活动。为了消除运动伪影对实验产生的影响，在清醒小鼠的自发活动期间，对单个单元进行了隔离。图 3d 说明了从单个 SiMN 检测到的单个单元和相应的尖峰间隔 (ISI) 直方图。同一阵列中，其他 SiMN 检测到的每个通道 2 到 9 个单元（图 3e、f）。

图3:清醒小鼠体内电生理信号记录。

一个1024通道的SiMNA---用于大型皮质覆盖的脑机接口

研究建立了一个1024通道可单独寻址的SiMNA（针到针间距400µm，大小32×32），皮质覆盖面积为12.8×12.8mm2（图 4a）。该阵列由10µm的聚酰亚胺基板构成。将传统犹他阵列的制造工艺与本文的双面对准、选择性蚀刻、柔性基板相结合，获得了具有尖锐尖端的锥形SiMNA。SiMN的高度约为300µm，暴露的尖端约为50到100µm，尖端涂有PtNM，阵列的其余部分则用2 µm厚的聚对二甲苯-C钝化（图4b）。

结论

研究展示了首个具有灵活背衬、可扩展的功能性微针阵列SiMNA。并记录了SiMNA在啮齿动物中的慢性电生理信号。研究开发的制造工艺可以选择SiMNA密度和微针高度，为实现脑机接口植入微针的大面积覆盖另辟蹊径。基于灵活背衬的透明性，在长期植入实验装置的小鼠中通过光遗传学刺激和2光子成像进行了演示。最后，使用1024通道证明了SiMNA的可扩展性，该1024通道SiMNA可在小鼠大脑中进行局部刺激诱发反应。

这种新型的、可扩展的、与生物相容的SiMNA，将加速基础神经生理学的研究进展，并为脑机接口的微电极阵列建立新的发展里程碑。

参考链接

Scalable Thousand Channel Penetrating Microneedle Arrays on Flex forMultimodal and Large Area Coverage BrainMachine Interfaces

Sang Heon Lee, Martin Thunemann, Keundong Lee, Daniel R. Cleary,Karen J. Tonsfeldt, Hongseok Oh, Farid Azzazy, Youngbin Tchoe, Andrew M.Bourhis, Lorraine Hossain, Yun Goo Ro, Atsunori Tanaka, Kıvılcım Kılıç, AnnaDevor, and Shadi A. Dayeh*

DOI: 10.1002/adfm.202112045

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