10月23日，《Advanced Science》期刊在線發(fā)表了題為《An Ultraflexible Electrode Array for Large-Scale Chronic Recording in the Nonhuman Primate Brain》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）趙鄭拓研究組與臨港實驗室李澄宇研究組合作完成。該研究通過構(gòu)建適用于非人靈長類皮層長期埋植的超柔性微電極及配套植入方案，在實驗猴的視皮層及運(yùn)動皮層進(jìn)行了長期埋植及單細(xì)胞水平神經(jīng)信號記錄，并進(jìn)行了運(yùn)動腦機(jī)接口等功能驗證。此研究首次實現(xiàn)了使用超柔性微電極在非人靈長類中進(jìn)行長期大規(guī)模單細(xì)胞水平的神經(jīng)信號采集，為靈長類的基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究以及腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具。 

　　對腦活動的高時空分辨率、高通量采集是深入理解腦功能的重要基礎(chǔ)。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及其在運(yùn)動功能修復(fù)等臨床治療中展現(xiàn)的突出優(yōu)勢，在非人靈長類及人類大腦中實現(xiàn)長期穩(wěn)定的高時空分辨率、高通量神經(jīng)信號采集，已經(jīng)成為目前神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域及臨床醫(yī)療的熱點之一。  

　　現(xiàn)有的部分侵入式神經(jīng)電極（如猶他電極、Neuropixels探針），雖然能夠提供單細(xì)胞分辨率和百/千通道級的神經(jīng)信號采集，但這些電極多由金屬微絲、硅等硬質(zhì)材料構(gòu)成，與柔軟的腦組織的相容性較差，長期埋植會累積免疫反應(yīng)，在電極周圍造成神經(jīng)元死亡和膠質(zhì)瘢痕包裹，使得記錄到的神經(jīng)信號質(zhì)量逐漸降低，無法構(gòu)成穩(wěn)定的電極-神經(jīng)界面。隨著材料學(xué)及微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)的超柔性微電極為克服上述難點提供了新的解決方案。超柔性微電極的機(jī)械特性使得其與腦組織有良好的相容性，能夠有效降低長期埋植過程中積累的免疫反應(yīng)，從而形成緊密、穩(wěn)定的電極神經(jīng)界面。在小鼠中，超柔性微電極已經(jīng)實現(xiàn)了千通道級、長達(dá)10個月的單細(xì)胞信號采集；然而，超柔性微電極在非人靈長類中的記錄性能有待驗證。  

　　本研究較為系統(tǒng)地探究了超柔性微電極在實驗猴皮層進(jìn)行大規(guī)模長期單細(xì)胞級分辨率神經(jīng)信號記錄的可行性。 為了適應(yīng)在非人靈長類的皮層進(jìn)行植入，趙鄭拓研究組通過材料優(yōu)化和工藝改進(jìn)，使電極在不損失其柔性的前提下，顯著提升了抗拉伸能力，使電極在以較高的速度穿過非人靈長類堅韌的軟腦膜時依舊保持結(jié)構(gòu)和功能完整。另一方面，團(tuán)隊成員也優(yōu)化了電極位點排布，使其能夠覆蓋不同深度的皮層區(qū)域。與此同時，趙鄭拓研究組也與楊天明研究組、臨港實驗室李澄宇研究組合作摸索了適用于超柔性微電極的模塊化植入手術(shù)方案，成功在實驗猴皮層進(jìn)行了最高896通道植入，成功采集到了大規(guī)模單細(xì)胞動作電位（圖A）。在長期記錄中，從3只實驗猴共計獲得2813個神經(jīng)元，最長記錄達(dá)240天。  

　　在此基礎(chǔ)之上，趙鄭拓研究組與臨港實驗室李澄宇研究組對超柔性微電極在非人靈長類中的記錄性能進(jìn)一步進(jìn)行了功能性驗證。在實驗猴的視皮層中，超柔性微電極能夠有效解析神經(jīng)元對有效解析神經(jīng)元對移動方向光柵朝向的偏好性的偏好性。同時，電極位點在三維空間上的覆蓋使其能夠同時測量一定皮層體積中神經(jīng)元的感受野，極大提升了測量效率（圖B）。在實驗猴的運(yùn)動皮層中，團(tuán)隊測試了超柔性微電極采集到的神經(jīng)信號能否支持運(yùn)動腦機(jī)接口，即通過記錄的運(yùn)動皮層神經(jīng)活動直接對屏幕上的光標(biāo)進(jìn)行實時控制。結(jié)果顯示，通過單個超柔性微電極采集到的不同皮層深度的神經(jīng)活動，即可有效控制光標(biāo)的移動，且控制效果與手動控制類似（圖C）。這一結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展低創(chuàng)的侵入式運(yùn)動腦機(jī)接口提供了初步驗證。  

　　該研究成功建立了在非人靈長類中長期進(jìn)行大規(guī)模單細(xì)胞水平神經(jīng)記錄的有效手段，克服了傳統(tǒng)硬質(zhì)電極面臨的植入損傷大、組織相容性差、長期埋植信號不穩(wěn)定、記錄通量有限等缺陷，為涉及靈長類的基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究以及使用電極技術(shù)進(jìn)行治療及干預(yù)的臨床應(yīng)用，提供了全新的解決方案。  

　　該研究由碩士研究生田一昕、研究助理王成堯與副研究員尹家鵬，在腦智卓越中心任馳副研究員、趙鄭拓研究員與臨港實驗室李澄宇研究員的指導(dǎo)下完成，研究組的其他成員積極參與，并得到了腦智卓越中心楊天明研究員、李雪青年研究員、腦智卓越中心非人靈長類研究平臺、微納加工平臺的大力協(xié)助，是眾多研究組和支撐平臺通力合作的重要成果。本工作得到中國科學(xué)院、科技部、上海市、臨港實驗室的資助。 

　　圖注（A）超柔性微電極在實驗猴視皮層中記錄到的單細(xì)胞動作電位波形示例。（B）使用超柔性微電極在實驗猴視皮層中進(jìn)行感受野測量。（C）使用超柔性微電極在實驗猴運(yùn)動皮層中構(gòu)建運(yùn)動腦機(jī)接口，通過神經(jīng)活動直接控制光標(biāo)移動的效果與手控類似。