2022-01-29

STM | 数千探针阵列记录人脑电信号的时空特征

原创 图灵基因 图灵基因 2022-01-29 09:04

收录于话题#前沿分子生物学技术

为了更好地了解大脑回路，以高空间和时间分辨率记录大脑皮层活动至关重要。这在试图了解生理和病理状况时特别有用。现在，已经开发出一种新的大脑传感器阵列，可以直接从人脑表面以破纪录的细节记录电信号。

该团队使用铂纳米棒（PtNRGrids）开发了可重构的薄膜、多通道神经生理记录网格。新的大脑传感器具有密集的网格，由1024或2048个嵌入式皮层电图（ECoG）传感器组成。相比之下，目前外科手术中最常用的ECoG网格通常具有16到64个传感器，尽管可以定制具有256个传感器的研究级网格。

如果被批准用于临床，这项技术将为外科医生提供直接来自大脑皮层表面的大脑信号信息，其分辨率比目前的分辨率高100倍。获得关于大脑表面或大脑皮层组织的哪些特定区域活跃以及何时活跃的这种高度详细的观点，可以为规划切除脑肿瘤和手术治疗耐药性癫痫提供更好的指导。

这项研究发表在《Science Translational Medicine》杂志上，论文标题为“Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics”。

通过直接放置在大脑表面的传感器网格记录大脑活动——皮层电图（ECoG）——已经被外科医生普遍用作一种工具，用于切除脑肿瘤和治疗药物或其他治疗无效的人的癫痫。能够以如此高分辨率记录脑信号可以提高外科医生尽可能多地切除脑肿瘤的能力，同时最大限度地减少对健康脑组织的损害。在癫痫的情况下，更高分辨率的脑信号记录能力可以提高外科医生精确识别癫痫发作起源的大脑区域的能力，从而可以在不接触附近与癫痫发作无关的大脑区域的情况下移除这些区域。

证明带有数千个传感器的ECoG网格功能良好，也为神经科学提供了新的机会，可以更深入地了解人脑的功能。

以更高的分辨率记录大脑信号是因为该团队能够将单个传感器放置在彼此非常接近的位置，而不会在附近的传感器之间产生有问题的干扰。

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，但研究团队正在以一种新的方式使用铂：纳米级铂棒。与扁平铂传感器相比，纳米棒形状提供了更大的传感表面积，这有助于使传感器更加灵敏。

基于铂纳米棒的传感器网格比当今临床批准的ECoG网格更薄、更灵活。薄型和灵活性使传感器网格能够随大脑移动，从而实现更紧密的连接和更好的读数。此外，网格由环形小孔制成，允许脑脊液通过。通过这种方式，这些灌注孔支持传感器网格和大脑表面之间更好的接口，允许传感器轻松安全地置换液体。

新的铂纳米棒脑传感器网格厚度为10微米，比临床批准的1毫米厚ECoG网格薄100倍。纳米棒被嵌入一种透明、柔软、灵活的生物相容性材料聚对二甲苯中，聚对二甲苯与大脑表面直接接触。电信号从大脑通过脑脊液传播，到达嵌入聚对二甲苯中的铂纳米棒的暴露表面。这种设计产生了一个与大脑表面形成紧密稳定连接的传感器网格，提高了信号质量。

该团队实施了专门针对临床使用的设计改进。例如，定制的传感器网格可以印有专门的孔，外科医生可以将探针准确地插入正确的位置，并将电刺激直接应用于特定位置的脑组织。为了让更高分辨率的ECoG网格被批准用于临床，研究人员共同创立了一家名为Precision Neurotek的初创公司。

该团队最近公布的一些大鼠研究数据也证明了网格在基础神经科学研究中开辟新途径的效用。这篇论文包括了研究人员认为的首次从脑表面记录绘制大鼠大脑皮层柱图。过去，皮层柱的定位只能通过在大脑表面放置一根单独的针，然后依次进行电刺激和针在大脑表面的移动来完成。更一般地说，铂纳米棒网格在时间和空间上提供高分辨率数据的事实为揭示大脑如何工作的新知识开辟了许多新的可能性。

长期计划包括开发这些高分辨率ECoG网格的无线版本，可用于对顽固性癫痫患者进行长达30天的大脑监测。该技术还具有永久植入的潜力，可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，例如帕金森病、原发性震颤和称为肌张力障碍的神经运动障碍。