科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了可展開的電極陣列，可以通過頭骨上的一個(gè)小孔形成漏斗，并部署在大腦皮層上相對(duì)較大的表面上。這種軟機(jī)器人神經(jīng)技術(shù)為微創(chuàng)皮質(zhì)手術(shù)和與神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如運(yùn)動(dòng)和感覺缺陷)相關(guān)的應(yīng)用開辟了有希望的途徑。研究成果于5月10日發(fā)表在《Science Robotics》雜志上。
Stephanie Lacour的專長是開發(fā)適應(yīng)移動(dòng)中的身體的柔性電極，提供與神經(jīng)系統(tǒng)更可靠的連接。她的工作本質(zhì)上是跨學(xué)科的。
因此，當(dāng)一位神經(jīng)外科醫(yī)生要求Lacour和她的團(tuán)隊(duì)想出用于插入人類頭骨的微創(chuàng)電極時(shí)，他們想出了一個(gè)解決方案，充分利用了他們?cè)陧槕?yīng)性電極方面的專業(yè)知識(shí)，并受到軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的啟發(fā)。他們已經(jīng)開發(fā)出了可展開電極陣列，可以通過頭骨上的一個(gè)小孔形成漏斗，并部署在大腦皮層上相對(duì)較大的表面上。這種軟機(jī)器人神經(jīng)技術(shù)為微創(chuàng)皮質(zhì)手術(shù)和與神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如運(yùn)動(dòng)和感覺缺陷)相關(guān)的應(yīng)用開辟了有希望的途徑。相關(guān)成果于5月10日發(fā)表在《Science Robotics》雜志上，題為“Deployment of an electrocorticography system with a soft robotic actuator”。
1、可折疊的微型電極陣列
挑戰(zhàn)是什么？通過顱骨上的一個(gè)小孔插入一個(gè)大型皮質(zhì)電極陣列，在顱骨和大腦表面之間約1毫米的空間內(nèi)部署該設(shè)備--而不損害大腦。
"微創(chuàng)神經(jīng)技術(shù)是提供高效、為患者量身定制療法的基本方法。"，Stéphanie Lacour表示，“我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠折疊的微型電極陣列，穿過頭骨上的一個(gè)小孔，然后部署在皮質(zhì)上的一個(gè)平面上，然后我們結(jié)合了軟生物電子學(xué)和軟機(jī)器人學(xué)的概念”。
從其螺旋形手臂的形狀，到每個(gè)手臂在高度敏感的腦組織上的部署，這種新穎的、可展開的電極的每個(gè)方面都是巧妙的工程。
2、可展開電極陣列及其成功測試
第一個(gè)原型包括一個(gè)電極陣列，它適合穿過一個(gè)直徑為2厘米的孔，但當(dāng)展開時(shí)，延伸到一個(gè)直徑為4厘米的表面。它有6個(gè)螺旋形臂，以最大限度地?cái)U(kuò)大電極陣列的表面積，從而增加與大腦皮層接觸的電極數(shù)量。直臂會(huì)導(dǎo)致電極分布不均，與大腦接觸的表面積較少。
有點(diǎn)像一只螺旋形的蝴蝶在變態(tài)之前被復(fù)雜地?cái)D在它的繭里，電極陣列連同它的螺旋臂被整齊地折疊在一個(gè)圓柱形管內(nèi)，即裝載器，準(zhǔn)備通過頭骨上的小孔部署。
可展開腦皮層電圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和工作原理 | SUKHO SONG et al.
腦皮層電圖系統(tǒng)的可部署性 | SUKHO SONG et al.
得益于從軟體機(jī)器人學(xué)中獲得的靈感，每個(gè)螺旋形的手臂一次在敏感的腦組織上輕輕地展開。"該研究的第一作者Sukho Song說："外翻機(jī)制的美妙之處在于，我們可以部署任意大小的電極，對(duì)大腦施加恒定且最小的壓力。"軟體機(jī)器人界一直對(duì)這種外翻機(jī)制非常感興趣，因?yàn)樗艿搅松锏膯l(fā)。這種外翻機(jī)制可以模仿樹根的生長，而且在樹根的生長程度方面沒有任何限制"。
電極陣列實(shí)際上看起來像一種橡膠手套，每個(gè)螺旋形手指的一側(cè)都有柔性電極圖案。手套是倒置的，或從內(nèi)向外翻轉(zhuǎn)，并折疊在圓柱形裝載器內(nèi)。為了部署，液體被插入每個(gè)倒置的手指，一次一個(gè)，當(dāng)它在大腦上展開時(shí)將倒置的手指向右轉(zhuǎn)。
Song還探討了將電極臂卷起來作為一種部署策略的想法。但是手臂越長，卷起后就會(huì)變得越厚。如果卷起的電極變得太厚，那么它將不可避免地在頭骨和大腦之間占據(jù)太多的空間，對(duì)腦組織造成危險(xiǎn)的壓力。
電極圖案是通過將柔性金蒸發(fā)到非常順應(yīng)的彈性體材料上而制成的。到目前為止，可展開的電極陣列已在小型豬身上成功進(jìn)行了測試。該軟性神經(jīng)技術(shù)現(xiàn)在將由Neurosoft Bioelectronics擴(kuò)大規(guī)模，并將領(lǐng)導(dǎo)其臨床轉(zhuǎn)化。
軟腦皮層電圖系統(tǒng)的功能驗(yàn)證 | SUKHO SONG et al.
內(nèi)容來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.add1002
https://actu.epfl.ch/news/deployable-electrodes-for-minimally-invasive-crani/
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