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研究实现大规模单细胞信号记录和脑机接口运动控制

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发表于 2023-11-4 23:24 |显示全部帖子
研究实现大规模单细胞信号记录和脑机接口运动控制
* l- o) W; g, w来源:脑科学与智能技术卓越创新中心 2023-11-04 19:35" |, _- w! X; K# t# p; W* l
赵郑拓研究组与李澄宇研究组,对超柔性微电极在非人灵长类中的记录性能进一步进行了功能性验证。在实验猴的视皮层中,超柔性微电极能够有效解析神经元对不同移动方向光栅朝向的偏好性。
/ T) {. F& m5 I. R# M《科学进展》(Advanced Science)在线发表了题为An Ultraflexible Electrode Array for Large-Scale Chronic Recording in the Nonhuman Primate Brain的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心赵郑拓研究组与临港实验室李澄宇研究组合作完成。该研究通过构建适用于非人灵长类皮层长期埋植的超柔性微电极及配套植入方案,在实验猴的视皮层和运动皮层进行了长期埋植及单细胞水平神经信号记录,并进行了运动脑机接口等功能验证。该研究首次实现了使用超柔性微电极在非人灵长类中进行长期大规模单细胞水平的神经信号采集,为灵长类的基础神经科学研究以及脑机接口的临床应用提供了强有力的工具。 
% @, b% C5 f6 @9 u8 |( B对脑活动的高时空分辨率、高通量采集,是探讨脑功能的重要基础。随着脑机接口技术的发展及其在运动功能修复等临床治疗中展现出的优势,在非人灵长类和人类大脑中实现长期稳定的高时空分辨率、高通量神经信号采集,已经成为目前神经科学领域及临床医疗的热点之一。        
0 R7 D* E3 F- `. M4 u. r现有的部分侵入式神经电极(如犹他电极、Neuropixels探针),虽然能够提供单细胞分辨率和百/千通道级的神经信号采集,但这些电极多由金属微丝、硅等硬质材料构成,与柔软的脑组织的相容性较差,长期埋植会累积免疫反应,在电极周围造成神经元死亡和胶质瘢痕包裹,使得记录到的神经信号质量逐渐降低,无法构成稳定的电极-神经界面。随着材料学及微纳加工技术的发展,近年来出现的超柔性微电极为克服上述难点提供了新的解决方案。超柔性微电极的机械特性使得其与脑组织有良好的相容性,能够有效降低长期埋植过程中积累的免疫反应,从而形成紧密、稳定的电极神经界面。在小鼠中,超柔性微电极已实现了千通道级、长达10个月的单细胞信号采集;而超柔性微电极在非人灵长类中的记录性能有待验证。      1 q- O( R# g* h5 @. y
本研究较为系统地探究了超柔性微电极在实验猴皮层进行大规模长期单细胞级分辨率神经信号记录的可行性。为了适应在非人灵长类的皮层进行植入,赵郑拓研究组通过材料优化和工艺改进,使电极在不损失其柔性的前提下,提升了抗拉伸能力,使电极在以较高的速度穿过非人灵长类坚韧的软脑膜时依旧保持结构和功能完整。此外,该团队优化了电极位点排布,使其能够覆盖不同深度的皮层区域。同时,赵郑拓研究组、杨天明研究组与李澄宇研究组合作,探索了适用于超柔性微电极的模块化植入手术方案,在实验猴皮层进行了最高896通道植入,采集到大规模单细胞动作电位(图A)。长期记录中,该研究在3只实验猴中共获得2813个神经元,最长记录达240天。        
, [( G. n, u( t( q8 T以此为基础,赵郑拓研究组与李澄宇研究组,对超柔性微电极在非人灵长类中的记录性能进一步进行了功能性验证。在实验猴的视皮层中,超柔性微电极能够有效解析神经元对不同移动方向光栅朝向的偏好性。同时,电极位点在三维空间上的覆盖使其能够同时测量一定皮层体积中神经元的感受野,提升了测量效率(图B)。在实验猴的运动皮层中,该研究测试了超柔性微电极采集到的神经信号能否支持运动脑机接口,即通过记录的运动皮层神经活动直接对屏幕上的光标进行实时控制。结果显示,通过单个超柔性微电极采集到的不同皮层深度的神经活动,即可有效控制光标的移动,且控制效果与手动控制类似(图C)。这为后续发展低创的侵入式运动脑机接口提供了初步验证。       ' B7 I* m# b5 v5 ?3 ^
该研究建立了在非人灵长类中长期进行大规模单细胞水平神经记录的有效手段,克服了传统硬质电极面临的植入损伤大、组织相容性差、长期埋植信号不稳定、记录通量有限等缺陷,为涉及灵长类的基础神经科学研究以及使用电极技术进行治疗及干预的临床应用,提供了全新的解决方案。       
* d( |' X6 ?& _6 Y7 E! ^6 D. u研究工作得到中国科学院、科学技术部、上海市、临港实验室的资助,并获得脑智卓越中心非人灵长类研究平台、微纳加工平台的协助。 
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( b4 c+ t% Q8 H6 b( a& L& [(A)超柔性微电极在实验猴视皮层中记录到的单细胞动作电位波形示例;(B)使用超柔性微电极在实验猴视皮层中进行感受野测量;(C)使用超柔性微电极在实验猴运动皮层中构建运动脑机接口,通过神经活动直接控制光标移动的效果与手控类似。  
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