破纪录了！刷新记录人类大脑信号的分辨率
这些薄而柔韧的ECoG传感器网格，如果获准用于临床，将能从大脑皮层表面直接向外科医生提供大脑信号信息，其分辨率是目前可用的100倍。通过这一非常详细的视角，可以了解大脑表面组织的哪些特定区域(或大脑皮层)是活跃的，以及何时是活跃的，可以为计划手术切除脑肿瘤和手术治疗耐药癫痫提供更好的指导。长期来看，该团队正在研究这些高分辨率ECoG网格的无线版本，可用于顽固性癫痫患者长达30天的大脑监测。这项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，如帕金森氏症、特发性震颤和称为肌张力障碍的神经运动障碍。
该项目由工程学院的电气工程教授Shadi Dayeh领导。该团队的工程师、外科医生和医学研究人员来自加州大学圣地亚哥分校、马萨诸塞州综合医院、俄勒冈健康与科学大学。
记录大脑活动从网格的传感器直接放置于大脑的表面——脑皮层电图描记法（electrocorticography ，ECoG)——已经在常用工具由外科医生执行程序去除脑部肿瘤和治疗癫痫的人不应对药物或其他治疗。这项发表在《科学转化医学》(Science Translational Medicine)杂志上的新研究提供了一系列经过同行评比的数据，证明带有1024或2048个传感器的网格可以用来可靠地记录和处理直接来自人类和鼠大脑表层的电信号。相比之下，目前手术中最常用的ECoG网格通常有16到64个传感器，尽管研究级网格可以定制256个传感器。
能够以如此高的分辨率记录大脑信号，可以提高外科医生切除尽可能多的脑瘤的能力，同时最大限度地减少对健康脑组织的损害。对于癫痫，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的大脑区域的能力，这样就可以在不触及附近与癫痫发作无关的大脑区域的情况下移除这些区域。通过这种方式，这些高分辨率的网格可以增强正常运转的脑组织的保存。
在神经科学领域，有成千上万个传感器的ECoG网格能够很好地发挥作用，这也为我们深入了解人类大脑的功能提供了新的机会。反过来，基础科学的进步可能会导致基于对大脑功能理解的改进治疗方法。
能够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得更近，而不会在附近的传感器之间产生问题干扰。例如，该团队的3厘米× 3厘米的网格中有1024个传感器，它们直接记录了19个人的脑组织信号，这些人同意在他们已经安排好的与癌症或癫痫相关的脑部手术的“停工期”期间参与这个项目。在这种网格配置中，传感器之间的距离为一毫米。相比之下，已经被批准用于临床的ECoG网格通常有间隔一厘米的传感器。这为新网格提供了每单位面积100个传感器，而临床使用的网格每单位面积只有1个传感器，在解释大脑信号方面提供了100倍的更好的空间分辨率。
虽然使用基于铂的传感器来记录大脑神经元的电活动并不是什么新鲜事，但研究团队正在以一种新颖的方式使用铂:纳米铂金棒。纳米棒的形状提供了比平面铂传感器更多的传感表面积，这有助于使传感器更敏感。这种传感系统是基于铂纳米棒中的电子数随着大脑神经元放电的变化而变化这一事实。
当神经元放电时，带电离子进进出出。这种带电离子的运动引起了脑脊液中电压的变化，而神经元就沐浴在脑脊液中。这些脑组织和脑脊液中电压电位的变化通过电荷筛选过程改变了铂纳米棒中电子的种群数量。通过这种方式，铂金纳米棒可以近实时、高精度地记录大脑皮层表面或附近神经元的放电情况。
人类的大脑总是在运动。例如，每一次心跳，大脑就随着血液的脉动而运动。基于铂纳米棒的传感器网格比目前临床认可的ECoG网格更薄、更灵活。这种薄而灵活的传感器网格可以随着大脑移动，实现更紧密的连接和更好的阅读。此外，网格是用小的环形孔制造的，可以让脑脊液通过。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。
新的铂纳米棒大脑传感器网格有10微米厚，大约是人类头发的十分之一，比一毫米厚的临床认可的ECoG网格薄100倍。纳米棒被嵌入一种透明、柔软、有弹性的生物相容性材料中，这种材料被称为parylene（一种新型镀膜），它与大脑表面直接接触。电信号从大脑穿过脑脊液，到达嵌在对二甲苯内的铂纳米棒的暴露表面。这种设计产生了一个传感器网格，与大脑表面形成了一个紧密而稳定的连接，提高了信号质量。
所使用的制造工艺也允许各种尺寸和形状，这为更大、更定制的皮质覆盖开辟了新的可能性。同时从更大的大脑区域收集信号可以解开更多的大脑之谜。
通过加州大学圣地亚哥分校电气工程教授Dayeh领导的工程师和俄勒冈健康与科学大学神经外科医生Ahmed Raslan领导的临床医生的密切合作，该团队实现了专门用于临床使用的设计改进。例如，定制的传感器网格可以印上专门的孔，允许外科医生在正确的位置插入探针，并直接对特定位置的脑组织进行电刺激。为了让更高分辨率的ECoG网格获得临床应用的批准，Dayeh、Raslan和共同第一作者Youngbin Tchoe共同创立了一家名为Precision Neurotek Inc.的初创公司。
切除脑瘤的挑战之一是，肿瘤的存在会引发大脑的变化，包括改变大脑的哪些区域参与了哪些功能。这些变化使得手术团队为病人的大脑制作个性化的地图——“功能地图”——至关重要，以便在尽可能多地切除肿瘤的同时，决定哪里切除，哪里不切除。
《科学转化医学》这篇论文的作者证明，使用铂金纳米棒ECoG传感器可以非常精确地制作这些功能地图。特别值得一提的是，研究小组在四个不同的人的大脑中一个叫做中央沟的边界开发了功能地图。中央沟将大脑的躯体运动皮层和躯体感觉皮层分开。在这四名受试者中，研究人员将铂纳米棒网格放置在受试者的大脑表面，并要求他们进行一系列活动，包括抓手。有了这些信息，研究人员重建了这个关键地标在大脑中的实际位置，以及大脑中与手指感觉和手抓相对应的神经相关部分。铂纳米棒网格的结果与低分辨率ECoG网格的结果已经被批准用于临床应用，但更精确地确定了这一关键功能边界在躯体运动皮层和躯体感觉皮层之间的确切位置。新勾勒出的曲线功能边界对每个病人的大脑来说都是独一无二的，这比通常外推的线性边界要好得多，后者是由今天的一厘米间距的临床网格确定的。
该团队新近发表的一些小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实用性。例如，在《科学转化医学》(Science Translational Medicine)上发表的论文中，研究人员认为，这是根据脑表记录，绘制出的第一张小鼠皮层柱状图。在过去，皮质柱的映射只是通过在大脑表面放置一根单独的针，然后连续的电刺激和在大脑表面移动针来完成的。更普遍地说，铂纳米棒网格在时间和空间上提供了高分辨率的数据，这一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。
新网格技术的另一项发现是同时发现与大脑功能相关的短、局部、长、宽范围脑电波。这张高空间和时变(动态)的大脑活动图像被记录在与科学转化医学论文相关的几个补充影片中，并被用于利用脑波模式以新的方式解释手部运动。
该团队正在研究一系列并行的举措，以推进这些网格，使它们有资格获得审查批准，用于短期、中期和长期使用。例如，由加州大学圣地亚哥分校电气工程教授Shadi Dayeh领导的团队获得了美国国立卫生研究院1225万美元的资助，用于开发传感系统，下一步将是对治疗性癫痫患者进行临床试验。这笔拨款也资助了使系统无线化的努力，这对中期和长期使用是重要的。
来源：神经生物学
文章标题
Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics
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