10月23日，《Advanced Science》期刊在線發(fā)表了題為《An Ultraflexible Electrode Array for Large-Scale Chronic Recording in the Nonhuman Primate Brain》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）趙鄭拓研究組與臨港實(shí)驗(yàn)室李澄宇研究組合作完成。該研究通過構(gòu)建適用于非人靈長類皮層長期埋植的超柔性微電極及配套植入方案，在實(shí)驗(yàn)猴的視皮層及運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行了長期埋植及單細(xì)胞水平神經(jīng)信號(hào)記錄，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口等功能驗(yàn)證。此研究首次實(shí)現(xiàn)了使用超柔性微電極在非人靈長類中進(jìn)行長期大規(guī)模單細(xì)胞水平的神經(jīng)信號(hào)采集，為靈長類的基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究以及腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具。 

　　對(duì)腦活動(dòng)的高時(shí)空分辨率、高通量采集是深入理解腦功能的重要基礎(chǔ)。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及其在運(yùn)動(dòng)功能修復(fù)等臨床治療中展現(xiàn)的突出優(yōu)勢，在非人靈長類及人類大腦中實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的高時(shí)空分辨率、高通量神經(jīng)信號(hào)采集，已經(jīng)成為目前神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域及臨床醫(yī)療的熱點(diǎn)之一。  

　　現(xiàn)有的部分侵入式神經(jīng)電極（如猶他電極、Neuropixels探針），雖然能夠提供單細(xì)胞分辨率和百/千通道級(jí)的神經(jīng)信號(hào)采集，但這些電極多由金屬微絲、硅等硬質(zhì)材料構(gòu)成，與柔軟的腦組織的相容性較差，長期埋植會(huì)累積免疫反應(yīng)，在電極周圍造成神經(jīng)元死亡和膠質(zhì)瘢痕包裹，使得記錄到的神經(jīng)信號(hào)質(zhì)量逐漸降低，無法構(gòu)成穩(wěn)定的電極-神經(jīng)界面。隨著材料學(xué)及微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)的超柔性微電極為克服上述難點(diǎn)提供了新的解決方案。超柔性微電極的機(jī)械特性使得其與腦組織有良好的相容性，能夠有效降低長期埋植過程中積累的免疫反應(yīng)，從而形成緊密、穩(wěn)定的電極神經(jīng)界面。在小鼠中，超柔性微電極已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千通道級(jí)、長達(dá)10個(gè)月的單細(xì)胞信號(hào)采集；然而，超柔性微電極在非人靈長類中的記錄性能有待驗(yàn)證。  

　　本研究較為系統(tǒng)地探究了超柔性微電極在實(shí)驗(yàn)猴皮層進(jìn)行大規(guī)模長期單細(xì)胞級(jí)分辨率神經(jīng)信號(hào)記錄的可行性。 為了適應(yīng)在非人靈長類的皮層進(jìn)行植入，趙鄭拓研究組通過材料優(yōu)化和工藝改進(jìn)，使電極在不損失其柔性的前提下，顯著提升了抗拉伸能力，使電極在以較高的速度穿過非人靈長類堅(jiān)韌的軟腦膜時(shí)依舊保持結(jié)構(gòu)和功能完整。另一方面，團(tuán)隊(duì)成員也優(yōu)化了電極位點(diǎn)排布，使其能夠覆蓋不同深度的皮層區(qū)域。與此同時(shí)，趙鄭拓研究組也與楊天明研究組、臨港實(shí)驗(yàn)室李澄宇研究組合作摸索了適用于超柔性微電極的模塊化植入手術(shù)方案，成功在實(shí)驗(yàn)猴皮層進(jìn)行了最高896通道植入，成功采集到了大規(guī)模單細(xì)胞動(dòng)作電位（圖A）。在長期記錄中，從3只實(shí)驗(yàn)猴共計(jì)獲得2813個(gè)神經(jīng)元，最長記錄達(dá)240天。  

　　在此基礎(chǔ)之上，趙鄭拓研究組與臨港實(shí)驗(yàn)室李澄宇研究組對(duì)超柔性微電極在非人靈長類中的記錄性能進(jìn)一步進(jìn)行了功能性驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)猴的視皮層中，超柔性微電極能夠有效解析神經(jīng)元對(duì)有效解析神經(jīng)元對(duì)移動(dòng)方向光柵朝向的偏好性的偏好性。同時(shí)，電極位點(diǎn)在三維空間上的覆蓋使其能夠同時(shí)測量一定皮層體積中神經(jīng)元的感受野，極大提升了測量效率（圖B）。在實(shí)驗(yàn)猴的運(yùn)動(dòng)皮層中，團(tuán)隊(duì)測試了超柔性微電極采集到的神經(jīng)信號(hào)能否支持運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口，即通過記錄的運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)活動(dòng)直接對(duì)屏幕上的光標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。結(jié)果顯示，通過單個(gè)超柔性微電極采集到的不同皮層深度的神經(jīng)活動(dòng)，即可有效控制光標(biāo)的移動(dòng)，且控制效果與手動(dòng)控制類似（圖C）。這一結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展低創(chuàng)的侵入式運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口提供了初步驗(yàn)證。  

　　該研究成功建立了在非人靈長類中長期進(jìn)行大規(guī)模單細(xì)胞水平神經(jīng)記錄的有效手段，克服了傳統(tǒng)硬質(zhì)電極面臨的植入損傷大、組織相容性差、長期埋植信號(hào)不穩(wěn)定、記錄通量有限等缺陷，為涉及靈長類的基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究以及使用電極技術(shù)進(jìn)行治療及干預(yù)的臨床應(yīng)用，提供了全新的解決方案。  

　　該研究由碩士研究生田一昕、研究助理王成堯與副研究員尹家鵬，在腦智卓越中心任馳副研究員、趙鄭拓研究員與臨港實(shí)驗(yàn)室李澄宇研究員的指導(dǎo)下完成，研究組的其他成員積極參與，并得到了腦智卓越中心楊天明研究員、李雪青年研究員、腦智卓越中心非人靈長類研究平臺(tái)、微納加工平臺(tái)的大力協(xié)助，是眾多研究組和支撐平臺(tái)通力合作的重要成果。本工作得到中國科學(xué)院、科技部、上海市、臨港實(shí)驗(yàn)室的資助。 

　　圖注（A）超柔性微電極在實(shí)驗(yàn)猴視皮層中記錄到的單細(xì)胞動(dòng)作電位波形示例。（B）使用超柔性微電極在實(shí)驗(yàn)猴視皮層中進(jìn)行感受野測量。（C）使用超柔性微電極在實(shí)驗(yàn)猴運(yùn)動(dòng)皮層中構(gòu)建運(yùn)動(dòng)腦機(jī)接口，通過神經(jīng)活動(dòng)直接控制光標(biāo)移動(dòng)的效果與手控類似。