上海交通大学刘景全团队在基于光遗传应用的可拉伸光电集成脑机接口器件方面取得重要进展
近日，上海交通大学微纳电子学系刘景全研究员团队联合中国科学院神经科学研究所，脑科学与智能技术卓越创新中心李澄宇研究员团队，实现基于光遗传技术的可拉伸光电集成脑机接口MEMS器件研发，器件具有高度柔性和一定可拉伸性，能够自适应脑组织形变或微动，可有效避免脑组织机械损伤，同时引入蛇形金属屏蔽结构，可有效抑制集成的微型LED芯片诱发伪迹和环境电磁干扰。相关研究成果以“Flexible and stretchable opto-electric neural interface for low-noise electrocorticogram recordings and neuromodulation in vivo”为题，发表于生物传感领域知名期刊Biosensors and Bioelectronics (IF=9.5)，吉博文博士是该论文第一作者，刘景全研究员和李澄宇研究员是共同通讯作者。
随着柔性电子和MEMS微纳加工技术的发展，柔性脑机接口器件被越来越多地用来精准采集高密度、高信息量的脑电信号，为神经环路功能研究、脑区病灶确诊、神经解码等提供了全新的工具。信号采集的同时，需要对特定脑区的某一类神经元进行选择性刺激或抑制，而借助光遗传技术可以大大提升光刺激的空间分辨率。根据刺激位置的需要，可以将光源分为刺入大脑深处和通过大脑皮层进行光刺激两种，包括带有开孔的光极探针，光波导、微型LED阵列等光源。贴附在大脑皮层表面的光源，相对侵入性更小，也更适合与柔性ECoG脑皮层电极进行集成。
在神经科学普遍使用的小鼠动物模型中，由于其脑组织模量仅仅不到15 kPa，且随着颅内压会发生一定程度的膨胀变形，因此，近年来有研究人员将重点集中在如何让ECoG柔性电极具有可拉伸性，满足脑组织形变需求，例如采用剪纸结构、弹性聚合物材料衬底如PDMS、将聚酰亚胺电极贴附在PDMS表面等。现有研究暂未将高精度光源引入到ECoG电极结构中，这需要保证集成光源的应变适应性，密封性和稳定性等。刘景全研究员团队通过将微型LED芯片集成在可拉伸弹性基底内并结合ECoG电极，形成光电集成的可拉伸柔性脑机接口器件，对于神经科学和脑疾病探索具有广阔的应用价值和前景（图1）。
图1. 集成封装的可拉伸光电集成脑机接口器件照片
当器件贴附在大脑皮层时，会由于手工操作和压覆牙科水泥等使器件发生形变，包括挤压、拉伸、弯曲等，另外脑组织自身也会出现膨胀现象，为更好地保证器件可靠有效工作，需要了解器件发生形变时的特性。当基底拉伸量为10%时，器件表面的蛇形导线能够完好地粘贴在弹性基底表面；当基底拉伸量增大到20%时，器件表面的蛇形导线发生不可恢复的局部脱粘，离开了弹性基底表面。实际使用中10%的基底拉伸量已可以适应脑组织形变需求。另外，器件弯曲贴附在曲率半径为4mm的圆柱上，柔性良好可实现保形贴附（图2）。
图2. 可拉伸光电集成脑机接口器件力学拉伸和弯曲性能
由于记录电极和光刺激电极集成后，LED供电和断电瞬间以及周围环境都存在电磁干扰，影响神经信号的采集质量，因此在设计可拉伸光电集成脑机接口器件中蛇形记录电极时，预期通过增加一层金属，起到电磁屏蔽的效果。通过静电场仿真，可以判断出与金属电极层间距为2.5 μm的蛇形金属屏蔽层有着良好的屏蔽效果，能够屏蔽近90%的电磁干扰。而通过体外诱发伪迹测试，金属屏蔽层的增加，使得LED供电时诱发的伪迹幅值降低超过50%，这对于实际在动物体内使用时有重要意义，可以有效减轻LED供电开启和结束时引入的电场变化，降低电磁干扰带来的影响，提高记录信号的质量（图3）。
图3. 蛇形金属屏蔽层的静电场模拟及体外诱发伪迹测试
最后，通过急性动物实验，验证了可拉伸光电集成脑机接口器件的光刺激与信号采集能力。金属屏蔽层接地后，各通道ECoG信号采集信噪比明显提高，可见金属屏蔽层对周围环境的电磁干扰能够起到抑制作用。另外，通过不同位点LED工作诱发的负电位结果，证明其具有良好的光刺激空间分辨率（图4）。这一结果证明了该新型器件在长期可靠植入，匹配脑组织机械刚度和提供高精度同步光刺激和电记录方面具有显著优势，同时在其他类型神经接口上具有应用潜力。
图4. 小鼠大脑皮层表面记录微型LED光刺激诱发的ECoG信号
论文链接:
doi.org/10.1016/j.bios.2020.112009
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