侵入性腦機(jī)界面可以恢復(fù)運(yùn)動(dòng)、感官和認(rèn)知功能。然而，由于植入的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和次優(yōu)的長(zhǎng)期可靠性，它們的臨床采用受到了阻礙。本文強(qiáng)調(diào)了侵入性技術(shù)對(duì)臨床相關(guān)電生理學(xué)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。討論了最有可能促進(jìn)侵入性神經(jīng)界面臨床翻譯的神經(jīng)探針的特征，描述了顱內(nèi)電極可以獲取或產(chǎn)生的神經(jīng)信號(hào)，導(dǎo)致其失敗的非生物和生物因素，以及新興的神經(jīng)接口架構(gòu)。
中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷會(huì)導(dǎo)致虛弱的損害。在許多情況下，個(gè)體保持認(rèn)知健康，神經(jīng)系統(tǒng)的完整部分向身體無(wú)法反應(yīng)的部位發(fā)送和接收神經(jīng)信號(hào)。對(duì)于這些患者來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口（BMI）可以作為大腦和外部世界之間的管道。
BMI由三個(gè)部分組成：傳感器，用于直接從大腦獲取神經(jīng)信號(hào)；解碼器，用于計(jì)算地將信號(hào)轉(zhuǎn)換為命令；以及效果器，這是由命令控制的外部設(shè)備。例如，在侵入性運(yùn)動(dòng)專業(yè)論文中，傳感器是植入皮層的細(xì)胞外電極陣列，解碼器是在外部硬件上運(yùn)行的算法，效應(yīng)器可以是計(jì)算機(jī)光標(biāo)或機(jī)器人四肢。通常，對(duì)于這些類型的侵入性系統(tǒng)，只有電極的柄（攜帶記錄或刺激位點(diǎn)的部分）被植入大腦；電子設(shè)備（如放大器和濾波器）和電纜在身體之外。
由于在患者大腦中植入電極所涉及的風(fēng)險(xiǎn)，侵入性電極的臨床翻譯需要長(zhǎng)期療效的證據(jù)來(lái)證明風(fēng)險(xiǎn)。大量精力致力于改善侵入性神經(jīng)界面。討論了臨床相關(guān)電生理學(xué)的概念和系統(tǒng)，并總結(jié)了最有可能促進(jìn)侵入性BMI臨床翻譯的神經(jīng)探針的特征。我們描述了基于電極的系統(tǒng)（高頻尖峰和低頻局部場(chǎng)電位（LFP））記錄的神經(jīng)信號(hào)，顱內(nèi)電極如何獲取或產(chǎn)生信號(hào)，導(dǎo)致顱內(nèi)電極失效的非生物和生物因素以及新興的神經(jīng)接口架構(gòu)。
Neural signals
簡(jiǎn)而言之，用植入電極的電壓痕跡記錄的細(xì)胞外電生理變化包括兩個(gè)貓的信號(hào)：高頻尖峰，代表單個(gè)神經(jīng)元的奇異貢獻(xiàn)；以及低頻LFP，代表神經(jīng)元群體的平均年齡活動(dòng)（圖1a）。這些信號(hào)類型在細(xì)胞外電生理記錄中的存在取決于電極的幾何形狀和材料，以及電極與鄰近神經(jīng)元的距離。大型電極有效地“看到”更多的組織，這導(dǎo)致更多的信號(hào)平均，從而在主要由LFP組成的記錄中。類似地，遠(yuǎn)離特定神經(jīng)元的電極不太可能識(shí)別神經(jīng)元對(duì)背景細(xì)胞活動(dòng)的具體貢獻(xiàn)；然而，電極將獲得周圍所有神經(jīng)元的平均LFP。
Fig. 1 | Neural signals and traditional probe architectures.
The electrode–tissue interface
優(yōu)化電極-組織界面對(duì)于獲得高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)和有效刺激神經(jīng)問(wèn)題是必要的。組織環(huán)境是一種充滿離子種類的水電解質(zhì)。當(dāng)插入電極（通常為金屬）時(shí)，電極內(nèi)的任何未屏蔽電荷都會(huì)吸引與之相反極性的溶解離子（極性水分子也會(huì)被吸引和對(duì)齊）；這些電荷在電極表面附近積累，產(chǎn)生表面電荷（由此產(chǎn)生的電荷再分配被稱為電雙層）。可以形成兩個(gè)電荷平面，一個(gè)在電極表面下方，另一個(gè)在電解質(zhì)中（這些層的厚度取決于電解質(zhì)的濃度和電極材料）。這些緊密定位在接口的兩側(cè)，一起類似于電容器（圖2a）
Fig. 2 | Electrode–tissue interface and electrode coatings.
Abiotic failure modes
設(shè)備損壞導(dǎo)致的非生物故障模式包括設(shè)備的機(jī)械損壞（如基板斷裂或鉛或連接器損壞）、導(dǎo)體腐蝕和包裝故障。鉛或連接器損壞發(fā)生在具有絕緣導(dǎo)體將電極與電子設(shè)備連接的裝置（圖3a）。導(dǎo)體腐蝕是任何裸露金屬的問(wèn)題，無(wú)論是電極還是包裝的一部分。從歷史上看，許多植入式神經(jīng)刺激器的鈦外殼一直被用作返回電極，增加了這種風(fēng)險(xiǎn)。腐蝕是由于從金屬表面去除金屬離子的不可逆的法拉達(dá)離子反應(yīng)造成的。被動(dòng)腐蝕在沒(méi)有任何施加電壓的情況下發(fā)生。相反，由于電解質(zhì)中不同暴露的金屬而形成的電鍍對(duì)會(huì)導(dǎo)致它們之間的電動(dòng)勢(shì)（EMF）。由于電極周圍局部環(huán)境的變異性，即使在識(shí)別金屬中也會(huì)發(fā)生這種情況。EMF驅(qū)動(dòng)腐蝕性氧化還原反應(yīng)。雖然小電磁場(chǎng)的溶解率通常可以忽略不計(jì)，但電極電位截然不同的不同金屬可以產(chǎn)生大型電磁場(chǎng)，其中陽(yáng)極腐蝕是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。例如，發(fā)現(xiàn)鍍金鎢微線會(huì)腐蝕。
Fig. 3 | Abiotic failure modes.
Biotic failure modes
生物衰竭模式源于對(duì)植入裝置的組織反應(yīng)。異物反應(yīng)很復(fù)雜，在其他地方提供了對(duì)植入異物反應(yīng)時(shí)激活的分子途徑的透徹描述。簡(jiǎn)而言之，設(shè)備植入物造成的細(xì)胞和血管損傷會(huì)觸發(fā)免疫反應(yīng)，其中激活的小膠質(zhì)細(xì)胞被招募到植入部位。這些激活的微膠質(zhì)細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子，導(dǎo)致植入部位周圍的神經(jīng)變性，并招募參與免疫反應(yīng)的其他細(xì)胞類型（如單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞）。隨著時(shí)間的推移，招募到植入部位的活性星形膠質(zhì)細(xì)胞可以形成一個(gè)緊密的擴(kuò)散屏障，通常被稱為“膠質(zhì)鞘”（圖4a）。這個(gè)護(hù)套將健康組織與電極分開(kāi)，阻止了測(cè)量或刺激的有效接觸。
Fig. 4 | Biotic failure modes.
Translational challenges
安全驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的臨床可轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須考慮幾個(gè)因素。在本節(jié)中，我們重點(diǎn)介紹無(wú)線設(shè)備、安全植入方法以及可植入神經(jīng)技術(shù)商業(yè)翻譯的臨床相關(guān)工作。
Wireless and tetherless devices
無(wú)線系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，以解決與布線和基座相關(guān)的安全問(wèn)題和行動(dòng)不便。對(duì)于檢查，帶有射頻無(wú)線收發(fā)器的猶他州陣列通過(guò)消除經(jīng)皮線來(lái)消除感染途徑。此外，無(wú)線皮層電圖設(shè)備既沒(méi)有經(jīng)皮線，也沒(méi)有經(jīng)顱線。文獻(xiàn)表明，無(wú)繩植入物可以顯著減少神經(jīng)病變，并直接增加植入物周圍的神經(jīng)元活力。
大腦分布式傳感器的開(kāi)發(fā)是由對(duì)無(wú)束縛、無(wú)線和小型化設(shè)備的渴望驅(qū)動(dòng)的。一個(gè)例子是為分布式皮層傳感而設(shè)計(jì)的500微米×500微米×35微米“神經(jīng)粒”芯片。每個(gè)芯片有兩個(gè)金電極，并用原子層沉積的SiO2和HfO2交替層密封。電力通過(guò)1 GHz的近場(chǎng)感應(yīng)耦合輸送到芯片。然而，通過(guò)組織等水介質(zhì)的電磁功率傳輸通常是相當(dāng)有損的，隨著植入物變小，它們有效獲取功率的能力會(huì)降低，為了克服這一點(diǎn)，Neurograins使用三線圈設(shè)置，其中皮層表面的中間線圈將信息從傳感器傳遞到皮膚上的更大線圈。
Clinical testing and commercialization
克服技術(shù)障礙以證明臨床有效性和安全性至關(guān)重要，但不足以進(jìn)行臨床翻譯。當(dāng)與人類疾病的許多藥理干預(yù)措施相比較時(shí)，只有少數(shù)植入式醫(yī)療設(shè)備成為標(biāo)準(zhǔn) clini-cal 治療方法。由于工程因素以外的考慮，許多用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的植入物通常被認(rèn)為是“最后手段”的選擇。首先，獲得安全性和有效性數(shù)據(jù)以與現(xiàn)有藥物療法競(jìng)爭(zhēng)是一個(gè)漫長(zhǎng)、昂貴和令人擔(dān)憂的過(guò)程；學(xué)術(shù)資助、學(xué)位周期和出版動(dòng)態(tài)通常不利于進(jìn)行這些類型的多年期研究。其次，學(xué)術(shù)環(huán)境歷來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)概念驗(yàn)證研究和最先進(jìn)的演示；相比之下，臨床翻譯需要在演示中通常不存在的活動(dòng)中投入時(shí)間和金錢，例如可擴(kuò)展制造的設(shè)計(jì)，對(duì)質(zhì)量控制和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解，供非工程師使用。第三，私營(yíng)部門學(xué)術(shù)工作的商業(yè)化受到長(zhǎng)期監(jiān)管過(guò)程、早期工作的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)以及設(shè)計(jì)新療法時(shí)普遍缺乏先例或比較因素的阻礙。
通道計(jì)數(shù)高的侵襲性BMI可能會(huì)在未來(lái)幾十年產(chǎn)生臨床影響。然而，這一承諾的實(shí)現(xiàn)取決于克服一些后勤和技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是長(zhǎng)期證明安全有效的系統(tǒng)問(wèn)題。證明侵入性神經(jīng)界面的壽命可以超過(guò)10年，需要識(shí)別體內(nèi)不會(huì)降解的物質(zhì)系統(tǒng)，并證明慢性免疫反應(yīng)可以有效管理。持續(xù)縮小刺激電極的尺寸也將推動(dòng)對(duì)每個(gè)非法拉達(dá)電荷注入或具有高電荷注入能力的電極材料的研究，而不會(huì)在刺激期間造成傷害。無(wú)線方法將實(shí)現(xiàn)用于治療大腦深部區(qū)域和皮層的完全植入式系統(tǒng)。
整合所有這些技術(shù)并不容易，即使可以創(chuàng)建理想的電極，也必須克服任何伴隨的手術(shù)障礙。然而，降低植入風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)手術(shù)程序，加上新興電極架構(gòu)（如不敬的傳感器）支持的先進(jìn)植入范式，為臨床和植入電生理學(xué)帶來(lái)了光明的未來(lái)。
原文：https://doi.org/10.1038/s41551-023-01021-5
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
