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  近日，上海交通大學(xué)微納電子學(xué)系劉景全研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所，腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心李澄宇研究員團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)基于光遺傳技術(shù)的可拉伸光電集成腦機(jī)接口MEMS器件研發(fā)，器件具有高度柔性和一定可拉伸性，能夠自適應(yīng)腦組織形變或微動(dòng)，可有效避免腦組織機(jī)械損傷，同時(shí)引入蛇形金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，可有效抑制集成的微型LED芯片誘發(fā)偽跡和環(huán)境電磁干擾。相關(guān)研究成果以“Flexible and stretchable opto-electric neural interface for low-noise electrocorticogram recordings and neuromodulation in vivo”為題，發(fā)表于生物傳感領(lǐng)域知名期刊Biosensors and Bioelectronics (IF=9.5)，吉博文博士是該論文第一作者，劉景全研究員和李澄宇研究員是共同通訊作者。

  隨著柔性電子和MEMS微納加工技術(shù)的發(fā)展，柔性腦機(jī)接口器件被越來越多地用來精準(zhǔn)采集高密度、高信息量的腦電信號(hào)，為神經(jīng)環(huán)路功能研究、腦區(qū)病灶確診、神經(jīng)解碼等提供了全新的工具。信號(hào)采集的同時(shí)，需要對(duì)特定腦區(qū)的某一類神經(jīng)元進(jìn)行選擇性刺激或抑制，而借助光遺傳技術(shù)可以大大提升光刺激的空間分辨率。根據(jù)刺激位置的需要，可以將光源分為刺入大腦深處和通過大腦皮層進(jìn)行光刺激兩種，包括帶有開孔的光極探針，光波導(dǎo)、微型LED陣列等光源。貼附在大腦皮層表面的光源，相對(duì)侵入性更小，也更適合與柔性ECoG腦皮層電極進(jìn)行集成。

  在神經(jīng)科學(xué)普遍使用的小鼠動(dòng)物模型中，由于其腦組織模量?jī)H僅不到15 kPa，且隨著顱內(nèi)壓會(huì)發(fā)生一定程度的膨脹變形，因此，近年來有研究人員將重點(diǎn)集中在如何讓ECoG柔性電極具有可拉伸性，滿足腦組織形變需求，例如采用剪紙結(jié)構(gòu)、彈性聚合物材料襯底如PDMS、將聚酰亞胺電極貼附在PDMS表面等。現(xiàn)有研究暫未將高精度光源引入到ECoG電極結(jié)構(gòu)中，這需要保證集成光源的應(yīng)變適應(yīng)性，密封性和穩(wěn)定性等。劉景全研究員團(tuán)隊(duì)通過將微型LED芯片集成在可拉伸彈性基底內(nèi)并結(jié)合ECoG電極，形成光電集成的可拉伸柔性腦機(jī)接口器件，對(duì)于神經(jīng)科學(xué)和腦疾病探索具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和前景（圖1）。

圖1. 集成封裝的可拉伸光電集成腦機(jī)接口器件照片

  當(dāng)器件貼附在大腦皮層時(shí)，會(huì)由于手工操作和壓覆牙科水泥等使器件發(fā)生形變，包括擠壓、拉伸、彎曲等，另外腦組織自身也會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，為更好地保證器件可靠有效工作，需要了解器件發(fā)生形變時(shí)的特性。當(dāng)基底拉伸量為10%時(shí)，器件表面的蛇形導(dǎo)線能夠完好地粘貼在彈性基底表面；當(dāng)基底拉伸量增大到20%時(shí)，器件表面的蛇形導(dǎo)線發(fā)生不可恢復(fù)的局部脫粘，離開了彈性基底表面。實(shí)際使用中10%的基底拉伸量已可以適應(yīng)腦組織形變需求。另外，器件彎曲貼附在曲率半徑為4mm的圓柱上，柔性良好可實(shí)現(xiàn)保形貼附（圖2）。

圖2. 可拉伸光電集成腦機(jī)接口器件力學(xué)拉伸和彎曲性能

  由于記錄電極和光刺激電極集成后，LED供電和斷電瞬間以及周圍環(huán)境都存在電磁干擾，影響神經(jīng)信號(hào)的采集質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)可拉伸光電集成腦機(jī)接口器件中蛇形記錄電極時(shí)，預(yù)期通過增加一層金屬，起到電磁屏蔽的效果。通過靜電場(chǎng)仿真，可以判斷出與金屬電極層間距為2.5 μm的蛇形金屬屏蔽層有著良好的屏蔽效果，能夠屏蔽近90%的電磁干擾。而通過體外誘發(fā)偽跡測(cè)試，金屬屏蔽層的增加，使得LED供電時(shí)誘發(fā)的偽跡幅值降低超過50%，這對(duì)于實(shí)際在動(dòng)物體內(nèi)使用時(shí)有重要意義，可以有效減輕LED供電開啟和結(jié)束時(shí)引入的電場(chǎng)變化，降低電磁干擾帶來的影響，提高記錄信號(hào)的質(zhì)量（圖3）。

圖3. 蛇形金屬屏蔽層的靜電場(chǎng)模擬及體外誘發(fā)偽跡測(cè)試

  最后，通過急性動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了可拉伸光電集成腦機(jī)接口器件的光刺激與信號(hào)采集能力。金屬屏蔽層接地后，各通道ECoG信號(hào)采集信噪比明顯提高，可見金屬屏蔽層對(duì)周圍環(huán)境的電磁干擾能夠起到抑制作用。另外，通過不同位點(diǎn)LED工作誘發(fā)的負(fù)電位結(jié)果，證明其具有良好的光刺激空間分辨率（圖4）。這一結(jié)果證明了該新型器件在長(zhǎng)期可靠植入，匹配腦組織機(jī)械剛度和提供高精度同步光刺激和電記錄方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在其他類型神經(jīng)接口上具有應(yīng)用潛力。

圖4. 小鼠大腦皮層表面記錄微型LED光刺激誘發(fā)的ECoG信號(hào)

  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112009