脑机接口前沿—缸中之脑能否实用化

本文来自 PingWest 品玩特约作者啸语,首发于他的同名微信公众号。“原创技术观察,写给万分之一的创新者”。

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以列宁为人物原型的脑神经学权威专家尤里同志在实验室工作的照片

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随着神经研究的进步,缸中之脑(Brain in aVat)不再只是一个假说或者思想实验,而是在很多实验室实际进行的试验研究。

人们一般讨论脑机接口都指的是在身体内的大脑,但是检测体内的大脑电信号受限于目前的探测传感水平以及其破坏性。对于一些研究需求,在实验室环境下“从0到1”培养体外脑组织,以研究其神经网络更加方便。

体外培养大脑的具体操作包括了:通过离解酶从大鼠胚胎脑部皮质组织解剖获得神经元,然后提供合适的环境条件和矿物质、营养。电极阵列嵌入容器腔室的底部,从而构成与神经元组织之间的双向脑机接口,透明容器适合于光学显微镜对单个细胞成像和其他物理化学操作。

体外培养神经元放置一个小时内,即使没有外界刺激,也已经开始自发与附近的其他神经元重新开始进行化学和电连通。神经细胞这种自发连接通信的倾向,体现了搭建神经网络的先天趋势。

生物系统在多空间和时间尺度上都有很强的互动性和连接性。天然神经网络就是这类系统的典型例子。以高空间和时间分辨率监控大量神经元活动对于破译神经活动规则、理解神经网络至关重要。但是目前人们受限于实验工具的缺乏。人们追求实现单细胞分辨率的传感器,以检测单一突触兴奋状况,并且可扩展到同时监控大量神经元。

  • 电极阵列的进步

如何对于单个神经细胞甚至单个神经突触进行准确的刺激和测量是脑机接口的主要挑战。理想情况下,记录元件应尽可能小,以提高空间分辨率,并且减少过程中的侵入性。因此进一步小型化需要发展新材料,也需要刺激和记录的新方法。对于同时实现高分辨率记录与高通量细胞检测的结合的新技术需求很迫切。

在过去几十年,微加工技术取得很大进步,这推动了记录和刺激工具的发展,比如多电极阵列(multi electrode arrays,MEAs)和源平面硅场效应晶体管(active planar silicon field effect transistor,FET)阵列这两种主流方案,促进了神经假体的发展。

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上图为比较基础的8×8多电极阵列,检测神经动作电位,可以获得神经元网络的整体活动状态,因此形成了一个与培养的神经元之间的非破坏性双向接口。目前MEA可以记录胞外场电位,但是其空间分辨率并不足以实现单个细胞水平检测以及比常规微电极更小的信号。为了克服多电极阵列的缺点,人们开发了平面场效应晶体管阵列,晶体管的局部功率放大效果大大提高了信号幅度和空间分辨率。

尽管如此,该领域还有很大的创新空间。利用场效应晶体管通过芯片电容耦合,作为神经接口使研究者能够在外部记录和刺激神经细胞的技术,最早在1995年出现。由于场效应晶体管器件的性能不取决于阻抗,因此尺寸可以做到远小于微量吸液管和微电极,从而提供可靠的细胞内测量能力。Nano FET探针经过微创设计,能够通过细胞内吞作用进入细胞,不会出现溶液交换。用于心肌细胞的高分辨率细胞内记录。这种手段的显著优势在于探头位置准确。基于场效应管的设备是与单个神经细胞交互的最佳选择。

  • 纳米技术的应用

纳米技术在生命科学中的应用已经在生物传感、诊断和药物输送系统等领域产生了很大影响。由于与生物分子尺寸接近,基于纳米材料的遥感设备(使用纳米线,纳米颗粒)在生物分子检测方面体现了更高的性能。对于神经科学领域,纳米技术可以把神经电极缩小到实现选择性刺激和记录指定单个神经细胞。

半导体纳米线(nanowire,NWs)提供了一个独特的,强大的化学和生物传感平台,在最近十几年取得了进展。直径小于约100纳米的半导体纳米线合成方面,已经可以有效控制组成,形状和尺寸。多种基于纳米线的电子器件已经可以制作,包括场效应晶体管,这些都为高性能传感器奠定了坚实的基础。自从2001年证实硅纳米线场效应晶体管(silicon NW FETs)可以用作传感器,他们已经能够用于检测带电化学物质、生物分子和病毒;它们也被用于研究单个培养的神经细胞和心脏组织。纳米线也被用于递送生物分子进入细胞。基于纳米线的设备由于表面积与体积的比值较高带来更高的敏感性,实现了远优于标准平面场效应晶体管阵列的信噪比,从而在分子尺度上与生物系统如神经元和心肌细胞进行高水平的交互。下面介绍一些新兴纳米技术用于电生理学,记录多种细胞电信号的最新进展:

纳米线与细胞之间的第一个电子接口在2006年发表,成功搭建了由纳米线场效应管和神经细胞网络组成的混合结构。随后生物接口复杂性的下一个标志,是利用SiNW FET设备记录了一个完整器官——跳动的心脏。这些设备在柔性塑料衬底上制造以包裹组织,增加与被测组织的接触面积。在2010年的另外一项研究中,SiNW FETs用于绘制脑神经细胞回路。结果表明,装配在透明衬底上的晶体管元件可以可靠连接到急性脑切片。对于神经细胞集群进行高度本地化记录的能力可有助于监测神经网络的动态连接图谱,并且对于理解神经回路及其可塑性提供重要数据。

首先,纳米线器件表现出非常高的灵敏度和良好的信噪比,这样的高灵敏度源于纳米线的小直径,减少纳米线和细胞膜的间隔从而降低潜在信号泄漏。其次,纳米线器件具有很高的空间分辨率。纳米线直径通常小于100nm,并且典型纳米线器件的有效结合面积很小(小于0.06平方微米,比微电极阵列和平面场效应晶体管小两个数量级),同时纳米线设备也拥有亚毫秒的时间分辨率。纳米线场效应晶体管阵列可以成为研究大脑神经回路的强大平台。

纳米元件的大规模阵列已经可以实现多路复用的实时电子监测,终极目标是实现神经组织和心脏组织的信号图谱绘制。目前阶段,纳米线场效应管阵列主要应用于基础神经科学研究,或者说体外测量,而不是体内电极。从上述优点展望未来,基于纳米材料的电子设备可以搭建细胞与电路之间的桥梁,用于假肢等,这些技术挑战可以通过纳米管场效应晶体管阵列伸入细胞内部来解决。随着更高分辨率、更小体积的下一代纳米线场效应管阵列的制造,革命性的纳米假肢可以进一步减少组织损伤和疤痕,同时更接近目标细胞,解决各种疾病。

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相互连接的神经元和纳米线场效应晶体管阵列示意图

  • 垂直纳米线电极阵列

纳米加工技术的快速发展带来了显著改进细胞和电极之间电气耦合的新型器件。标准硅纳米制造工艺可以把垂直硅电极阵列(vertical silicon electrodes array,VNEA)缩小到纳米尺度,作为一个可扩展的神经回路细胞内交互平台,用于录制神经元细胞的动作电位。

基于垂直纳米线的可扩展细胞内电极阵列平台可以同时针对体外分离培养老鼠皮层神经组织的细胞内记录和刺激,另外也可以用于绘制多个突触的连接图。基于硅纳米加工技术,该平台的拓展性提供了实现与几百个神经细胞同时进行高保真交互的明确技术路线。

目前大多数微加工神经接口都基于细胞膜外的电极,因此无法测量临界值以下的神经活动,也无法准确对应每个细胞与每个电极。有的电极太大无法与单一神经细胞进行交互。最近,最新纳米加工技术已经催生了新型微纳器件的发展,实现了细胞与电极之间电耦合的显著提升。利用现有的大规模半导体微加工技术,垂直纳米线电极阵列(vertical nanowire electrode array,VNEA)专门为了解决这一问题而设计。

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左图 9个硅纳米线构成的电极阵列的电镜成像,纳米线直径远小于典型的神经细胞,专门为单细胞内测量设计。右图 大鼠皮层细胞在VNEA板上的电镜成像。

虽然展示的原型只有16个记录/刺激通道,利用标准的半导体微加工流程可以很容易提高数量和密度。比如目前的深紫外光刻可以在每平方毫米加工出1万个电极。互补型金属氧化物—半导体电路与VNEA的整合将进一步允许片上数字化、信号复用、压缩和遥测。CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺与VNEA的整合可以实现片上数字化、信号多路复用、数据压缩和遥测。最后,VNEA的小尺寸也方便进行体内植入,就像目前使用的植入硅基微电极阵列,为神经假体和体内大规模神经回路动态研究提供新的可能性。

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