Nano Research：材料科学在脑机接口领域的应用

大脑由数十亿个神经元驱动，这些神经元具有数万亿个调节人类行为的互连。理解这些系统诱导感觉反应和对疾病做出反应的机制仍然是科学、工程和医学中最大的挑战之一。纳米材料和纳米技术的最新进展促进了对大脑界面电子器件的广泛研究，以更好地理解大脑复杂神经系统的神经活动。用于监测与创伤性损伤状态相关的大脑生理信号的传感器器件的发展伴随着并行的电子神经探针的进步。此外，这些神经病学和立体定向外科革命为脑组织内药理学系统的临床分析提供了巨大的潜力。

纳米电子集成芯片的最新进展带来了前所未有的计算处理能力。神经科学和医疗保健研究无疑受益于这些集成电子器件，它们能够存储和处理来自神经网络的大量生物信号或来自各种大脑状况的实时数据。此外，通过破译复杂的信号和识别生物数据中的模式，可以提供适当的神经调节或药物输送。此外，在过去的十年里，在将传统的刚性电子设备转换成柔性形式方面取得了显著的研究进展。因此，许多用于生物医学应用的电子设备现在可以有效地与生物组织接口或放置在生物组织内部，而机械损伤最小或免疫反应降低。在这里，韩国延世大学的Jang-Ung Park等人以“Recent advances in electronic devices for monitoring and modulation of brain”为题，在Nano Research上发表论文，回顾了脑机接口中电子器件在材料、制造技术和器件设计方面的进展。

图1. 脑机接口调制技术

1. 神经记录器件

对神经系统复杂信号的研究有助于更好地理解各种人类活动的起源，如记忆、情感、感官和身体运动。生物医学工程、微电子学和纳米电子学领域最近的合作导致了用于高质量脑信号记录的神经接口设备的发展。

1.1 电子记录器件

脑界面电子学的各种设计和材料的发展已经实现了获得高质量信号和最小侵入性。在脑电图的情况下，使用非侵入性方法测量大脑大区域的神经活动，该方法包括直接接触头皮和分析实时信息和大脑的各种临床状况。传统的脑电图设备使用导电凝胶和研磨膏，即所谓的湿电极，将头发和头皮等干扰元素的阻抗降至最低。然而，当凝胶变干时，湿电极会引起阻抗。为了克服这些挑战，出现了一种通过与皮肤紧密接触来增加电接触的干电极方法。

图2. 大脑电神经记录装置。(图片来源：Nano Research，2021，DOI：10.1007/s12274-021-3476-y.)

1.2 光子记录器件

在神经系统中，细胞内钙浓度与神经元的突触活动密切相关。在静止状态下，大多数神经元的细胞内钙浓度约为50-100 nM，而在激活状态下，钙浓度增加10-100倍。因此，钙浓度变化的荧光测量与神经元的动作电位密切相关。获得神经动力学的光学记录对于电记录方法具有潜在的优势。光学记录不包含电噪声。此外，它们可以用于基于神经元中荧光染料的选择性结合来选择性地记录特定的神经元。代表性的光学记录方法主要包括钙指示剂。

早期的设备是基于光纤，光纤被植入特定的大脑区域。在这个装置中，纤维将特定波长的光传输到神经元，并收集与钙神经活动相关的全部荧光。尽管在细胞水平上记录单个神经元的活动有局限性，但记录所有神经元对自由运动受试者的活动是可能的。因此，已经进行了许多研究来考虑在大脑中使用简单、通用和长期植入物的可能性。

图3. 大脑的光学神经调节装置(图片来源：Nano Research，2021，DOI：10.1007/s12274-021-3476-y.)

2. 神经调节器件

神经系统通过神经网络中产生的复杂动作电位模式来控制身体。作为中枢神经系统，大脑处理一种行为和一系列广泛的刺激，如情绪、疼痛和感觉。调节这些神经功能的能力有可能调节健康状况，如神经和神经精神障碍。例如，深部脑刺激(DBS)通过刺激相关神经元来调节大脑的运动功能，是治疗帕金森病震颤症状的一种方法。随着材料科学、电子工程和生物医学研究的发展，出现了神经调节技术的发展。

2.1 电神经调节

神经系统中的电活动是我们生活的主要组成部分，基于电刺激或抑制的方法已经相对成熟。许多电刺激方法已经被批准用于临床治疗，例如DBS，其中电极以套箍或探针的形式与大脑中相邻的神经组织连接。

用于电神经调节的早期工具是附着在半导体衬底上的刚性硅探针阵列。使用这些探针，在大脑皮层1.5 mm以下可以进行电神经调节，并且可以刺激100个不同的部位。此外，使用半导体微制造工艺，已经开发了许多电神经调节装置。然而，这些装置由易碎的刚性材料组成，这导致组织损伤，包括在神经调节装置周围形成纤维包裹和胶质瘢痕组织。因此，慢性植入和神经调节受到电极-组织阻抗增加的限制。为了克服装置的机械失配，已经应用了电极的柔软和保型设计。

图4. 大脑电神经调节器件(图片来源：Nano Research，2021，DOI：10.1007/s12274-021-3476-y.)

2.2 光学神经调节

光神经调节方法，或光遗传学，通过根据特定波长的光照控制光敏蛋白的构象，在细胞膜上诱导离子电流。与传统的电神经调节方法相比，光学方法具有一定的潜力。由于它不涉及直接将电荷注入细胞，因此被认为是对组织更安全的方法。此外，通过将光敏蛋白仅靶向特定的细胞类型，然后照射光，可以将刺激定位于特定细胞类型。

早期的光神经调节装置是基于光纤或波导连接到外部光源，如激光、灯或LED。在这种栓系系统的情况下，存在一个问题，即由于装置和脑组织之间的模量不匹配，在组织中出现了不稳定现象。

图5. 大脑的光学神经调节器件

3. 展望

基于新材料、机械设计和新型制造技术和方法的大脑界面神经探针系统的创新促进了神经科学和神经药物领域的突破。这些技术可以使神经探针装置进行微创植入，并防止额外的创伤。此外，基于中枢神经系统反应的神经科学高级研究可以发现大脑功能。脑界面神经探针的进一步发展有如下几个方面。

3.1多模态

脑状况的诊断是通过各种因素进行的，综合因素的综合诊断对于提高诊断的可靠性是重要的。例如，为了处理脑损伤，没有单一的最佳或完整的监测器或绝对的生理截止值可以推广到急性或创伤性脑损伤患者的每一个病例。因此，需要多模式监测各种脑状况，如颅内压、脑组织氧合和脑血流。为了实现多模式设备系统，重要的是考虑各个设备之间的干扰。此外，为了将异构功能器件集成到单个系统中，应该适当考虑有效的制造技术，例如单片集成方法或3D打印。

图6. 多模式脑接口设备

3.2 生物可吸收性（Bioresorbablility）

材料科学在化学和生物方面的进步使得新型电子器件的制造成为可能。这些新型电子器件具有在稳定运行一段时间后，在受控条件下完全或部分溶解、降解和其他物理/化学分解的能力。这些瞬态电子设备可以用于植入式设备，从人体无害消失。特别是，从大脑界面的角度来看，开发一种可溶解在体内生物相容性材料中的植入式装置，可以在大脑中发挥重要作用。这类设备，通常被称为生物可吸收电子设备，由于其能够提供增强或监测慢性生物过程(如伤口愈合)的诊断或治疗功能而引起了人们的广泛兴趣。同时避免传统植入装置中常见的用于移除的二次外科手术。生物可吸收电子学的早期研究是以使用各种有机材料和有机半导体的形式进行的，这是因为它们具有极好的生物相容性和生物可吸收性。

在有机电子学的这些研究之后，基于纳米尺寸的单晶硅(例如硅纳米材料)在生物流体中经历水解并在体内分解的研究，生物可吸收电子器件的研究开始在无机半导体领域发展。硅器件与各种封装层、功能、生物可吸收导体和电介质相结合，为一般的生物可吸收电子器件提供了基础。此外，研究人员还开发了各种先进的生物可吸收装置(如太阳能电池、应变仪、各种传感器，如酸碱度传感器和光电探测器)。

图7. 生物可吸收性器件

3.3自愈能力

最近，作为对未来生物电子学的研究，对实现电子器件的自修复特性的研究已经深入进行。就生物医学电子设备的连续可靠运行而言，附着、插入脑表面或脑深部的设备的重要因素之一是机械稳定性。特别是，以脑界面为目标的电子设备容易由于机械变形而暴露于裂缝和故障，因为脑域的机械行为由于脑组织以及脑内生物流体的低模量而类似于流体。尽管最近有关于柔性和可拉伸电子设备的研究，考虑到人脑的重要性，脑探针的自愈能力应该包括在内。为了防止这些问题，研究人员已经研究了从器件层的保护方面改进或开发新的器件设计。此外，利用装置部件的自愈合特性也是可能的。特别是，液态金属是有希望作为自修复电极材料的候选材料之一。与传统金属电极相比，它们通过利用其高导电性、延展性和类似流体的特性提供了额外的自由度。自修复材料与脑探针的结合将为提高植入装置的可靠性提供便捷的途径。

总结

脑接口电子设备的纳米材料和纳米技术的革命及其简单的集成已经促使了神经科学、脑病理学和医学的巨大进步。具体而言，已经开发了用于脑探针的材料，以改善其机械性能(即，柔韧性和拉伸性)和可靠性。迅速发展的微制造和纳米制造技术将继续使电子设备进一步小型化。生物相容性封装材料的新整合可以防止大脑和周围组织不必要的炎症和损伤。这些改进使得能够生产用于稳定和微创多通道电生理神经刺激和高时空分辨率记录的设备。关于长期医用植入物，通过将先进技术集成到用于大脑的诊断和治疗神经装置中，可以克服实时监测病理信号和输送药剂的障碍。即使有几个问题需要解决，包括人类的临床应用。例如，光遗传学实验可以转化基因本身，从而影响人类的先天遗传结构。此外，大多数脑装置都具有植入性和侵入性的特点，这就要求它们在恶劣潮湿的条件下持续工作。在这里，它们的耐久性可以通过可靠的表面涂层来保持。此外，它们的长期生物相容性应在不同的体内条件下进行慢性植入试验。随着与大脑相关的设备技术的不断改进，这些创新将扩展涵盖与大脑研究相关的广泛神经生理学和病理学领域的知识。

文献信息：Recent advances in electronic devices for monitoring and modulation of brain，Nano Research，2021，DOI：10.1007/s12274-021-3476-y.

本文由纳米小白撰稿。