PNAS长文解读：一种可以“读取”和“操控”大脑环路的新型神经电子系统

植入式生物电子设备可以有效解析神经活动和大脑功能之间的联系，因为此类设备可以在较长的时间内直接与神经元之间进行交互。个性化和响应式的神经网络功能障碍干预可以为改善神经精神疾病的治疗提供机会。对于一部分癫痫患者来说，植入式神经交互设备提供的响应式神经刺激是目前最安全和有效的治疗方法。

为了促进这些基础科学和转化研究的进步，实时植入神经交互设备需要执行三个关键功能，以实现对神经网络的实时干预以及进一步对行为学的影响：

1）获取高时空分辨率的神经生理学信号(即从高密度电极阵列同时高速采集电生理信号，以获得高分辨率的的局部场电位信息(LFP)和大量的动作电位信息)；

2）在空间和时间上精准的向大脑特定区域提供电刺激，以减少电极位置误差的影响，并允许对行为结果进行因果解释；

3）集成完整神经信号处理功能的可植入式设备，以最小化植入设备以及侵入式接口带来的潜在风险（例如增加感染、出血和瘢痕组织形成的机会）。

除了这些对功能的需求外，可植入设备还需要提供扩展性和尽可能进行小型化。虽然目前有许多硬件架构可供选择，但目前并没有一个理想的解决方案，高数据通量的长时间实验依然困难重重。

在癫痫研究中已经证明，闭环电刺激能够显著减少啮齿类动物的癫痫发作。以往实验中神经信号的获取、处理和刺激必须由大型外部设备执行，这类实验还需要通过线缆连接动物和外部设备，而线缆限定了实验对象的活动范围，从而限制了此类设备的可扩展性、实验时间和使用范围。

使用专用集成电路（ASIC）可以最小化电子设备的尺寸。目前发表的工作中用于无线闭环实验的ASIC仅限于处理LFP带宽信号（< 1250 Hz），无法进行神经元Spike数据的采集。板载场可编程门阵列(FPGA)和无线通信模块已被用于无线设备中，但由于技术原因，此类设备目前并不能进行完全植入式的埋置，而非完全植入式的设备需要侵入式的接口，会导致感染的几率提高并进一步限制此类技术的转化应用。

此外，大部分此类设备只能进行短期实验，不能对神经刺激的长期效应进行评估。集成了导电线圈的柔性、无电池设备，可以提高植入式设备的生物相容性。不过，此类无电池设备的计算能力有限，通常不足以进行神经数据处理；此外，低成本的响应式神经刺激平台可以在不影响功能的前提下为更多的科研群体提供进行类似研究的技术手段。虽然科学家们已经发现了许多认知和精神功能障碍和特定的神经网络活动模式有关，但对应的治疗性的响应式神经刺激方法尚未被开发出来，一部分原因是用于此类实验的设备仍然难以获取。

哥伦比亚大学一个研究团队，通过开发一种先复用后放大（MTA）方案来解决这些挑战，这种方案采用每个多路复用器只需要一个放大器。与每个通道需要一个放大器的传统设计相比，大大减小了多通道采集电路的尺寸。

它还可以在多个独立通道上同时进行任意波形的电刺激。该团队开发了一个基于MTA结构的简易、模块化的植入式神经界面，可以在无需任何外部电子设备的情况下处理和存储电生理数据。该系统同时整合了柔性导电聚合物基多电极阵列，形成一个小型化、低功耗、完全可植入、无需任何侵入式接口的响应式生物电子设备。

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为了同时减小电路的尺寸、复杂性和功耗，文章作者假设在对神经电生理信号放大前进行时分复用（MUX）是可能的。这种方法使直接连接多个电极的多路复用器共用一个放大器，大大减少了电路元件的数量和设备的尺寸。这种设计还允许电刺激电路和放大器共用同一个复用器，进一步提升了集成度（图1A）。

然而，在这种设计中，电极的电化学阻抗成为多路复用器电路的一部分，并影响多路复用器电路的输入阻抗、上升时间和开关速度。作者们研究了在这种设计中决定性能的关键电路元件，以及当与现有的神经接口设备耦合时，设备能够准确获取信号的值的范围。

前端多路复用器的简化电路图包括：

1）一个微电极的电阻-电容（RC）等效电路，用于计算电极-电解质界面电容（C_E）和电阻（R_E）；

2）一个具有漏极寄生电容（C_D）、线电阻（R_M）以及开关的多路复用器电路（图1A）。

在该电路中，电极和多路复用器的电容是串联的，它们的逆和就是电路的总电容。电路的总电阻是电极电阻和线路电阻之和；由于线路电阻比电极阻抗小得多，因此总电路电阻由电极的电阻分量决定。

在给定的器件参数下，文章作者想知道这个RC电路中的电容和电阻值是多少时能以spike的采样率采集神经生理数据。为了解析动作电位的波形形态，需要大于15 KS/s(通常为20 KS/s)的采样率（T_s），对应多路复用器开关频率N× T_s（N=每个多路复用器的通道数）。

可实现的采样率定义为基于C_D和C_E上升时间的10倍（10× τ_RC），作者发现了存在至少16个微电极对应1路多路复用器的可以进行大于20KHz采样率的参数区间（图1B阴影区域）。

为了验证这种设计的可行性，文章作者制作了一个包含商用16通道多路复用器的电路，其漏极电容在图1B的阴影区域内（C_D = 13 pF）。

首先从一个能够获得高质量动作电位的20× 20 μm²导电聚合物基电极优化RC元件以定义C_E，然后从增益（输出/输入信号比）、采样率以及生理频谱和不同电极阻抗下的均匀性等方面评估了该多路复用器的采样性能（图1C和1D）。

MTA结构能够以20 KS/s的速率在生理频谱上提供均匀的增益，同时保持低噪声背景和无串扰（图1E和F），这与从简化电路模型中得到的预期一致。

图1 MTA使神经界面设备实现了高采样率、均匀增益和低噪声采集，以及刺激功能。(A)高亮显示 MTA的采集（蓝色）、刺激（橙色）和接地（粉色）信号通路示意图（上方图）。MTA的简化电路图由表示电极（青色）的R_C模型和形成多路复用器（灰色）的具有线路电阻（R_M）和漏电容（C_D）的开关组成；底部图）。(B)不同电极以及复用器参数下MTA的时间常数。彩色线表示采样率定义为上升时间的10倍（10 × τ_RC）。黄色阴影框显示与MTA设计和从神经接口设备获取动作电位兼容的参数。红星表示本研究中实验数据的C_D和C_E。(C) MTA基采集装置与高阻抗钨基电极（1KHz下100 KΩ，橙色）和低阻抗PEDOT:PSS基电极（1KHz下3 KΩ，蓝色）的组合频率响应。虚线和实线分别表示1250 Hz和20 KHz采样率。插图：实验装置的示意图，带有一对双极刺激电极（灰色），由微电极与MTA装置（橙色）组合获得在PBS中产生1 mV扫描信号（1-10⁴ Hz）。 (D) 50 μm直径钨基（橙色）和PEDOT:PSS基（蓝色）电极在100 Hz下增益与采样率的关系。(E) 在两个装有PBS溶液的容器中连接MTA设备内相邻的多路复用通道和一个提供Gaussian刺激进行同时记录和刺激过程中的串扰评估（插图）。与刺激电极（橙色）放置在同一容器中的记录电极（蓝色）捕获Gaussian输入（蓝色trace），而与放置在另外一个容器中的相邻MTA通道（黑色）相关联的记录电极仍然靠近本底（黑色trace与红色虚线相比）。(F) 电生理信号频段上没有串扰。

接着，本文通过设计一个基于MTA结构的完全集成设备来在自由活动的啮齿类动物上进行在体电生理记录。大鼠背部皮下组织的空间决定了设备的可以安全植入的最大尺寸，从而使动物能够不受记录线缆的限制进行自由活动。

该设备集成在一个小型化的、完全可植入的包装中，由四个主要功能模块组成（图2A和B）：

1）一个基于MTA的信号采集模块，在一段较长的时间内具有均匀的增益和最小的生理带宽的串扰（图2C）；

2）可编程多路刺激放大器，能够同时将任意序列的刺激信号传送到多个独立通道。刺激模式由位于板载嵌入式系统中的数模转换器（DAC）生成（图2D）；

3）由32位微控制器组成的数字信号处理模块，用于方便地实时处理神经数据（具有滤波、校正、积分、平均、阈值、持续时间检测和产生多路刺激模式等功能（图2E）； 

4）用于将本地数据存储到基于microSD的存储器单元中的数据和电源管理模块、用于实时数据传输的低压差分数字信号模块以及配备有用于外部解除/激活设备的磁性开关的植入式医用级硅树脂封装电池（图2F）。

MTA方法有效地结合了所有需要的功能单元，形成了一个完全可植入的、独立的、响应式的嵌入式神经电子设备。

图2 嵌入式神经电子系统中基于MTA的记录、刺激和信号处理。(A) 基于MTA的嵌入式系统的简化示意图，包括多路复用器（黄色）、采集放大器（蓝色）、刺激单元（橙色）和包含模拟/数字转换器、处理器和数据存储单元（绿色）的数字控制器。(B) 基于MTA的嵌入式神经电子系统的照片。电路板尺寸为18× 12.8 mm²（scale = 5 mm）。 (C) 两个相邻通道记录长期连续扫频信号（500 μV, 1-500 Hz），显示连续信号采集（蓝色）与相邻通道（橙色）的串扰最小。 (D) 刺激单元的同时输出电压，向两个不同正弦波频率的通道提供基于MTA的多路、多通道刺激模式（橙色通道=100Hz，1V；蓝色通道=50 Hz，0.5 V）。其余通道（绿色）的电压保持不变。(E) 实时神经振荡检测过程。自上而下：1)中间有ripple振荡的宽带LFP；2) 滤波数据；3) 矫正数据；4) 滑动平均滤波的平滑处理矫正数据。红色虚线显示3× 基线平均值触发水平，箭头指示触发起始（scale = 200 ms）。(F) MTA装置植入10 mm水凝胶模拟植入组织的照片（顶部图）。当磁铁放在设备附近时，红色发光二极管指示灯亮起并开始记录（底部图）（scale = 10 mm）。

本文作者在自由活动的大鼠身上使用这些整合的导电聚合物电极阵列，对海马-内侧前额叶皮质（mPFC）网络进行电生理记录、处理和刺激。对这些脑区自发的LFP和spike进行在体长期记录以及数据存储（图3、图4）。

图3 基于MTA的完全植入式系统能够在自由活动的啮齿类动物中进行高精度LFP和动作电位记录图4 基于MTA的植入式系统允许对自由活动的啮齿类动物进行自动、多模式、可控的电刺激

本文还利用该设备刺激海马联合，完成了基于重复电刺激的癫痫诱发(Kindling)。同时集成了记录和刺激能力的植入式系统可以进行之前开发出来的的响应式神经刺激实验，包括抑制海马ripple波（图5、图6）。

图5 基于MTA的神经植入能够实时闭环抑制海马ripple波

图6 基于MTA的嵌入式系统对病理性海马IED-皮层spindle耦合的实时闭环抑制

作者们利用植入式系统测试了各种实验方案，并利用该设备的多功能性进一步开发了一种响应性的神经网络刺激模式，可以抑制在颞叶癫痫模型中海马体的发作间期癫痫样放电(IED)导致的病理性的海马和皮层间的病理性功能耦合。

综上所述，这些结果证明了MTA结构在设计多通道采集/刺激系统中的有效性，为慢性神经网络调控创建了一个小型化、完整的生物电子设备，并在神经精神疾病的治疗中具有临床转化的价值。

参考文献

Zhao Z, Cea C, Gelinas JN, Khodagholy D. Responsive manipulation of neural circuit pathology by fully implantable, front-end multiplexed embedded neuroelectronics. PNAS. 2021;118(20). 

doi: 10.1073/pnas.2022659118

编译作者：Aurora（brainnews创作团队）校审：Simon（brainnews编辑部）往期推荐