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儀表網 研發快訊】2024年11月1日，《自然·通訊》期刊在線發表了題為《血管內輸送用于記錄皮層單細胞神經活動的超柔性神經電極陣列》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)趙鄭拓研究組與復旦大學附屬中山醫院楊志剛醫師團隊合作完成。該研究通過神經介入手術方式，由頸部靜脈入路，將一種超柔性可植入神經電極作為血管內裝置到達竇匯處，穿過血管壁植入綿羊動物模型的視覺皮層，并在自發和視覺誘發條件下，記錄了局部場電位(LFP)和多通道單細胞神經活動(AP)。此研究首次實現了大動物模型上免開顱微侵入式單細胞神經活動的記錄，為未來的腦機接口和神經系統疾病的治療提供全新的解決方案。
神經電極是建立高性能腦機接口 (BMI) 的關鍵。隨著腦機接口技術的發展以及在運動功能修復等臨床治療中展現的突出優勢，不同類型的電極，尤其是顱內電極的開發，對基礎神經科學研究和臨床應用都做出了重大貢獻。
現有的部分神經電極，例如猶他陣列已廣泛應用于 BMI 中的運動恢復，能夠基于神經活動靈活地控制外部設備。Neuropixels 探針的超強采樣能力徹底改變了我們研究和理解大腦功能的方式。然而，這些電極是由剛性材料(例如金屬或硅基)制成，其長期植入后周圍組織中會積累神經膠質疤痕，導致信號衰減或調控的不穩定。相比之下，超柔性微電極表現出了出色的生物相容性，能夠形成更優的神經元-電極界面，可長期穩定地記錄和調節大腦活動。然而，這些顱內電極需要開顱手術才能直接植入大腦，這會加劇生物組織的炎癥反應風險，從而損害大腦功能。與此同時，介入方法由于無需開顱、恢復快住院時間短成為許多神經系統疾病治療的首選方法。Stentrode作為一種血管內自膨鎳鈦合金支架式電極，已在綿羊上矢狀竇(SSS)中實現了血管皮層電圖(ECoG)記錄和刺激，并進入臨床試驗階段，用于重度癱瘓患者的運動神經假體，然而其信號精度的不足會使其應用受限。因此，現有開顱植入式BMI手術損傷大和介入式BMI信號精度低是目前BCI在臨床轉化中最需解決的痛點，
為了解決上述痛點，本研究提供了全新的介入式超柔性微電極皮層單細胞神經活動記錄解決方案。趙鄭拓研究組通過改進設計和工藝，制備出超長超柔性微電極，以滿足電極從綿羊頸部入路經血管到達顱內視覺皮層的路徑需求(圖a)。同時，研究組與中山醫院楊志剛醫生團隊合作探索了適用于超柔性微電極的術式方案的可行性，成功利用神經介入技術在綿羊靜脈系統中將電極遞送到目標大腦皮層(圖b)。通過雙方合作成功在術中采集到高信噪比、精細的單細胞神經活動(圖c)。在此基礎上，團隊近一步評估了該全新植入策略的安全性。考慮到裝置穿過血管壁期間可能出現的微出血，評估術后即刻的CT掃描結果中沒有觀察到腦組織內明顯的出血跡象。同時術后第二天綿羊就表現出了獨立直立行走的能力，表明血管內植入術式不會對大腦造成急性出血損傷。為了確認術式是否有任何長期影響，通過術后7天、30天的MRI掃描結果，觀察到植入部位附近的腦組織表現出高度完整性，沒有觀察到組織損傷。進一步的，團隊從柔性微電極在大鼠血管內3個月的埋植切片結果中，觀察到電極被完整的薄層內皮組織所包覆，保證了長期使用下電極在血管內位置的固定和穿出位置的完整密封性。這些結果證明了該血管內植入策略的微創性與安全性。
圖注：(a)超柔性神經電極陣列及其植入示意圖；(b)DSA術中植入影像及植入位置評估；(c)術中超柔性電極的神經信號記錄
為了進一步探索該方案的臨床轉化潛力，團隊通過人體顱內血管硅膠模型，模擬了裝置推廣到顱內靜脈的分支(乙狀竇-橫竇-竇匯)和非分支(乙狀竇-橫竇-上矢狀竇，乙狀竇-橫竇-上矢狀竇-后額靜脈，乙狀竇-橫竇-直竇-大腦內靜脈)區域的可行性。由于運動皮層(靠近SSS的足部和靠近后額靜脈的手部區域)和腹側紋狀體(靠近大腦內靜脈)在癱瘓運動腦機接口和神經系統疾病調控領域具有重要的臨床意義，本研究驗證了裝置將電極遞送到這些區域的可行性。
此工作首次實現了通過血管內介入方式將超柔性電極植入腦組織的電極植入方法，避免傳統開顱手術方式手術的較大損傷，彌補國際上現有的介入式植入方式信號精度低的不足，實現了微創多通道單細胞水平信號采集，為未來實現高質量神經信號交互，完成復雜外設控制與精細神經調控提供了全新的方案，兼顧植入微創性和獲得信號高精度的特點，具有明顯優勢。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)的博士后王興昭為該研究的第一作者，趙鄭拓研究員、楊志剛副主任醫師以及任馳副研究員參與指導了該項工作，課題組的其他成員積極參與。
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