馬斯克的Neuralink成立于2017年，目標(biāo)是研發(fā)超高帶寬的腦機(jī)接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與人工智能的共存。而高通量、低創(chuàng)傷、長期在體是侵入式腦機(jī)接口電極需要突破的三大技術(shù)。

在動(dòng)物中，對(duì)相同神經(jīng)元的長期穩(wěn)定記錄，對(duì)于理解神經(jīng)活動(dòng)很重要，可改善當(dāng)前的腦機(jī)接口性能。然而目前對(duì)相同神經(jīng)元進(jìn)行長期穩(wěn)定記錄還存在諸多挑戰(zhàn)，如：

(1)可植入的電子和光學(xué)工具可以以單細(xì)胞和單尖峰分辨率（single-spike）記錄神經(jīng)活動(dòng)，但由于這些裝置和腦組織之間的機(jī)械和結(jié)構(gòu)差異，會(huì)導(dǎo)致免疫反應(yīng)和記錄漂移。

(2)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的增殖以及電極-神經(jīng)元界面的相對(duì)剪切和重復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞記錄設(shè)備和神經(jīng)元之間的相對(duì)位置，導(dǎo)致記錄的長期不穩(wěn)定。

(3)光學(xué)成像技術(shù)還受到光穿透深度和穿過組織的三維（3D）體積掃描的限制。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，近日，美國哈佛大學(xué)約翰-保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）Jia Liu研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種將完全展開的組織狀網(wǎng)狀電子設(shè)備植入小鼠大腦的方法[Fig.1]，這種電子設(shè)備可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成交織結(jié)構(gòu)，消除免疫反應(yīng)和探針漂移。能夠在動(dòng)物的整個(gè)成年生活中對(duì)相同的神經(jīng)元進(jìn)行長期穩(wěn)定的單細(xì)胞水平記錄。

Figure 1 柔性網(wǎng)狀電子設(shè)備在腦內(nèi)的微創(chuàng)植入

完全展開的網(wǎng)狀電子設(shè)備可與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)形成3D交織

為了探索該設(shè)備的植入能力，研究人員在皮層、海馬和丘腦中植入了一個(gè)2mm寬、3mm長的網(wǎng)狀電子設(shè)備。植入6周后腦組織中網(wǎng)狀電子器件的代表性3D重建圖像顯示，該設(shè)備完全展開并在多個(gè)大腦區(qū)域中與神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞交織。海馬CA1區(qū)的放大視圖顯示了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的均勻分布[Fig.2]。同時(shí)，該開放式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)周圍神經(jīng)元的損傷最小，免疫反應(yīng)可忽略不計(jì)。

Figure 2 展開的網(wǎng)狀電子設(shè)備與多個(gè)大腦區(qū)域的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)無縫整合

多個(gè)腦區(qū)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定記錄

為了評(píng)估記錄的穩(wěn)定性，研究人員將具有32個(gè)通道、600μm寬的網(wǎng)狀電子器件和具有16個(gè)通道、300μm寬網(wǎng)狀電子器件植入不同的大腦區(qū)域，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，300μm寬、16通道網(wǎng)狀電子設(shè)備每電極的神經(jīng)元數(shù)量、振幅和信噪比（SNR）在植入后10天穩(wěn)定，并且來自600μm寬、32通道的參數(shù)在植入后20天仍然穩(wěn)定[Fig.3]。而之前的腦部探針在植入后，振幅、信噪比和神經(jīng)元計(jì)數(shù)每周都有所下降，這表明，展開的開放式網(wǎng)狀電子設(shè)備與神經(jīng)元和組織形成了長期穩(wěn)定的界面。

Figure 3 跨多個(gè)大腦區(qū)域的長期穩(wěn)定記錄

相同單一神經(jīng)元的穩(wěn)定追蹤

接下來，為了進(jìn)一步證明網(wǎng)狀電子設(shè)備穩(wěn)定跟蹤相同神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏哪芰Γ芯咳藛T設(shè)計(jì)了具有四極電極陣列的網(wǎng)狀電子設(shè)備。在7個(gè)月的慢性記錄中，基于尖峰波形和神經(jīng)元的估計(jì)位置，評(píng)估了來自相同神經(jīng)元記錄的長期穩(wěn)定性。

結(jié)果表明，在記錄過程中，每個(gè)單一神經(jīng)元波形的形狀及其在UMAP的2D嵌入空間中的投影是穩(wěn)定的，證明了在整個(gè)慢性記錄過程中良好隔離的單個(gè)神經(jīng)元的持續(xù)記錄。同時(shí)，91.83%?±?5.92%的神經(jīng)元顯示出幾乎恒定的位置（<10?μm）[Fig.4]?？傊薪Y(jié)果都證明了網(wǎng)狀電子器件能夠長期穩(wěn)定地追蹤來自相同神經(jīng)元的單個(gè)單位動(dòng)作電位。

Figure 4 來自相同神經(jīng)元的視覺刺激依賴性神經(jīng)活動(dòng)的長期穩(wěn)定跟蹤

總結(jié)與展望

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的超薄穿梭整體集成的網(wǎng)狀電子設(shè)備，可以通過開放的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和最小的組織損傷植入到多個(gè)大腦區(qū)域。開放式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以與大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交織在一起，實(shí)現(xiàn)無免疫反應(yīng)植入和長期穩(wěn)定的3D電極-神經(jīng)元整合。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性使我們能夠跟蹤小鼠整個(gè)成年生命中相同神經(jīng)元的單一單位動(dòng)作電位，直到自然死亡。

未來通過集成高帶寬無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，這將大大提高柔性電子設(shè)備對(duì)自由移動(dòng)動(dòng)物行為研究的能力。將使我們能夠在自由活動(dòng)的動(dòng)物的整個(gè)生命周期內(nèi)，對(duì)來自相同神經(jīng)元的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行長期穩(wěn)定的跟蹤。長期穩(wěn)定地跟蹤單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)模式，將為神經(jīng)科學(xué)研究、下一代腦機(jī)接口和生物電子醫(yī)學(xué)提供新的機(jī)會(huì)。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01267-x

參考文獻(xiàn)：

Zhao, Siyuan et al. “Tracking neural activity from the same cells during the entire adult life of mice.” Nature neuroscience, 10.1038/s41593-023-01267-x. 20 Feb. 2023, doi:10.1038/s41593-023-01267-x

編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）

標(biāo)簽：腦科學(xué)神經(jīng)科學(xué)