如何破解脑电信号？揭秘新型植入式神经界面技术

撰文 | 邱家康

编辑 | 周景峰 仵婷

2022年5月11日，应北京脑科学与类脑研究中心的邀请，中国科学院半导体研究所裴为华博士（研究员，博士生导师）在线上和大家分享了他在植入式神经界面技术方面的工作进展。近年来，裴为华领导的研究团队通过使用微纳加工等技术，成功开发了多种新型高通量、高信噪比的植入式微电极阵列器件和电极植入工具等。

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我们人类的大脑有近一千亿个神经元，以及数万亿个突触——神经元通过突触连接形成了复杂的神经网络。常用的模式动物大鼠的大脑也有两亿个神经元和三千多万个突触。神经科学家通过在大脑中植入电极，记录群体神经元的放电信号（即动作电位），并结合行为学数据，试图揭秘由神经元构成的复杂网络系统在感觉、运动和认知过程中的编码和运算机制。这些在体电生理研究也直接导致了植入式脑机接口技术的出现，并且推动了人工智能技术的发展。

然而，和大脑中海量的神经元数量相比，目前神经科学领域最普遍使用的电生理记录手段却非常低效：记录用的微丝电极通道数通常低于一百个通道，能够同时记录到的神经元只有几十个到几百个——这些技术上的阻碍严重影响了在体神经电生理的研究进展和新型脑机接口技术的应用。因此，当前神经科学领域急需高通量和高密度的电极，这些电极也要兼具高灵敏度和长期记录稳定性。针对神经科学家对电极的特定需求，裴博士主要介绍了他和他的团队开发的两类电极：1）刚性和柔性侵入式电极，2）光学电极。

常见的三种刚性电极

裴博士介绍到，对于刚性的侵入式电极，常见的有：金属电极、犹他电极和密歇根电极。为了做到高通量和高密度，在制造二维线性电极阵列后，将多个二维电极阵列组装，利用空间增加电极数量，把二维电极阵列转换成三维电极阵列。裴博士团队通过CMOS工艺，制作出了尺寸为70 μm × 9 mm的128通道硅基探针，探针焊盘尺寸不超过0.5mm。另外，好的封装对于高质量和稳定的神经信号记录同样重要。裴博士团队通过优化封装，尽可能减轻重量和减小体积，最终封装后带连接器的探针整体重量仅有0.34 g，可以实现小动物的长期植入记录。

除了刚性基底探针，裴博士团队也设计开发了柔性探针。柔性探针由于其较低的杨氏模量，能够在机械强度上较好地匹配大脑组织，减少界面移动，从而提高信噪比和使用稳定性。在刚性和柔性电极的基础上，裴博士团队开发了柔性连接线——与刚性连线相比，柔性连线可以显著减少运动干扰，进一步提高记录的信噪比和稳定性。裴博士在报告中还介绍了团队在电极开发过程中经历的技术探索，包括从最初的硅片辅助连接，到自制柔性连线连接，再到现在改进的金丝球焊。团队发现金丝球焊连接在互联与预制柔性连线相比具有更好的通用性，线长、电极数量或排布可轻松可调。目前裴博士团队制作出来的多种电极通量高、密度大、体积小、阻抗低、记录到的信噪比高、具有很强抗干扰能力，并且植入深度可调。

左：柔性连线展示 右：深度可调探针

除了高通量和高密度的难点，脑信号记录的另外一个难点是记录时间受限。在长时间的电生理信号记录后，界面移动和胶质细胞聚集等都会导致信号记录失效。为了减少对大脑的损伤，实现长时稳定记录，裴博士团队采用了聚酰胺脂等低杨氏模量材料合成柔性电极。虽然用薄膜聚合物做成的探针非常精细，但是同时由于材料太软，极大地增加了植入手术的难度。裴博士团队为此专门开发了一种用于植入柔性探针的半自动手术机器人。机器人所有轴向的分辨率都为 1 μm，三个轴的行程长度分别为X：300 mm，Y：300 mm和Z：100 mm。机器人能够在人的操作下抓取电极、运动到指定脑区，实现多根微丝电极在不同脑区分布式植入，因此能够非常灵活地对不同大脑区域进行组合记录。手术机器人目前已经升级到二代，在拾取工具和植入针头方面有较大改进。

二代手术机器人

光学神经探针也是裴博士团队工作的一项重要工作。通过使用光纤或者发光二极管，将光引入大脑，可以实现同时进行光遗传学操作、电生理记录和钙成像实验等。与传统光学设备相比，一体化光学神经探针因其体积小、功能多而吸引了研究人员关注。裴博士为我们展示了电极与光纤的集成装置——由锥形纤维和透明薄膜电极两部分组成。后续的改进装置还实现了成年小鼠海马CA1区钙活动信号和局部场电位（LFP）信号的同时记录。

电极与光纤的集成器件

结束语：

在这次交流中，裴博士为我们介绍了他和团队在新型神经信号记录电极方面积累的重要成果。通过使用微纳制造工艺，在硅和柔性基板上集成多电极阵列以及光学电极，可以方便地制造出具有数千个通道的电极。裴博士的工作为我们展望了神经科学研究的愿景：借助于高密度高通量的电极阵列、高性能神经记录和类脑计算芯片，以及新型的编解码算法，神经科学家将能够真正地破解脑电信号的秘密，并以此为基础开发新一代的脑机接口。