植入式神经电极阵列器件与材料的研究进展

发布时间：2024-04-27 01:19

　　人脑与电脑通过连续高通量的信息交互来实现深度融合是神经工程领域的重要发展愿景。脑机融合技术不但可以大幅提升运动残障、精神疾病、感知觉缺失能等多种疾病患者的治疗效果,更可以将电子计算机系统中存储的海量信息以及高速数值计算能力直接传递给人脑,从而赋予个人"超能力"。植入式神经电极阵列是发展宽带脑机融合智能系统所不可或缺的关键界面器件。一方面,植入式电极阵列可以同时保证大范围和高精度地记录神经元动作电位的精确发放时间和波形,为充分抽提神经信息,解读脑神经网络的活动奠定坚实基础。另一方面,借助植入式电极阵列对神经元进行高时空精度地信息写入,不但可以向脑内直接传入新信息,也可能改变神经精神疾病(例如帕金森氏症、癫痫和重度抑郁等)患者的异常神经网络活动,从而缓解症状或治疗疾病。电极阵列的微纳加工工艺、电极的理化特征及其与神经组织的界面效应是目前脑机接口技术前端研究的重要方向,而纳米材料和纳米器件等新技术在神经电子界面优化方面的重要作用也愈发明显。

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【部分图文】：

图1在体神经界面与美国国防部高级研究计划局神经科技项目群的发展历程

神经电信号最早由意大利科学家Galvani1采用早期的电极技术记录到。随后，Hodgkin和Huxley成功地从0.5–1mm宽的大王乌贼轴突中检测到神经活动，进而根据这些电信号的记录发展出了经典的膜电位理论基础。1957年，Hubel通过亚微米直径的钨丝尖电极成功地从哺乳....

图2微纳加工电极阵列与器件

由于Neuropixel类电极阵列可以同时记录多个深度的不同脑区且在每个脑区都可以记录大量的神经元，因此可能实现对兴奋神经网路空间尺度较好地估计。而NeuroGrid类的电极阵列可以对多个表面脑区的功能进行定位。因此结合这两类电极阵列可以实现广度和深度同时兼顾的神经信号采集45....

图3神经记录与刺激的界面纳米材料与应用

鉴于半导体纳米器件的加工精度、生物相容性和灵活的物理性质，这些器件可能用于开发下一代神经界面56。由于纳米场效应管尺寸可以加工到10nm甚至更小，并且其记录性能不受电极阻抗影响，因此在微纳神经器件方向具有很大的潜力57。由于神经信号调控或消耗纳米场效应管沟道中的电子能力远强于对....

图4用于无线神经界面的纳米神经元器件

同时，一些纳米颗粒类的材料也有潜力成为无线记录神经活动乃至细胞器活动的元器件。静息状态下，神经元膜电位为-70mV左右，当有兴奋性输入时，可能会产生几毫伏的阈下波动或者120mV左右的动作电位。但该电位在细胞膜上面能产生的电场强度由于膜厚度可以变得非常强，因此，电场强度响....

本文编号：3965144