腦機介面前沿—缸中之腦能否實用化 前篇

隨著神經研究的進步，

缸中之腦

（Brain in aVat）不再只是一個假說或者思想實驗，而是在很多實驗室實際進行的試驗研究。

人們一般討論腦機介面都指的是在身體內的大腦，但是檢測體內的

大腦電訊號

受限於目前的探測感測水平以及其破壞性。對於一些研究需求，在實驗室環境下“從0到1”培養

體外腦組織

，以研究其神經網路更加方便。

體外培養大腦的具體操作包括了：透過離解酶從大鼠胚胎腦部皮質組織解剖獲得神經元，然後提供合適的環境條件和礦物質、營養。

電極陣列

嵌入容器腔室的底部，從而構成與神經元組織之間的雙向腦機介面，透明容器適合於光學顯微鏡對單個細胞成像和其他物理化學操作。

體外培養神經元放置一個小時內，即使沒有外界刺激，也已經開始自發與附近的其他神經元重新開始進行化學和電連通。神經細胞這種自發連線通訊的傾向，體現了搭建神經網路的先天趨勢。

生物系統在多空間和時間尺度上都有很強的互動性和連線性。天然神經網路就是這類系統的典型例子。以高空間和時間解析度監控大量神經元活動對於破譯神經活動規則、理解神經網路至關重要。但是目前人們受限於實驗工具的缺乏。人們追求實現單細胞解析度的感測器，以檢測單一突觸興奮狀況，並且可擴充套件到同時監控大量神經元。

電極陣列的進步

如何對於單個神經細胞甚至單個神經突觸進行準確的刺激和測量是腦機介面的主要挑戰。理想情況下，記錄元件應儘可能小，以提高空間解析度，並且減少過程中的侵入性。因此進一步小型化需要發展新材料，也需要刺激和記錄的新方法。對於同時實現高解析度記錄與高通量細胞檢測的結合的新技術需求很迫切。

在過去幾十年，微加工技術取得很大進步，這推動了記錄和刺激工具的發展，比如多電極陣列（multi electrode arrays，MEAs）和源平面矽場效應電晶體（active planar silicon field effect transistor，FET）陣列這兩種主流方案，促進了

神經假體

的發展。

上圖為比較基礎的8×8多電極陣列，檢測神經動作電位，可以獲得神經元網路的整體活動狀態，因此形成了一個與培養的神經元之間的非破壞性雙向介面。目前MEA可以記錄胞外場電位，但是其空間解析度並不足以實現單個細胞水平檢測以及比常規微電極更小的訊號。為了克服多電極陣列的缺點，人們開發了

平面場效應

電晶體陣列，電晶體的區域性功率放大效果大大提高了訊號幅度和空間解析度。

儘管如此，該領域還有很大的創新空間。利用場效應電晶體透過晶片電容耦合，作為神經介面使研究者能夠在外部記錄和刺激神經細胞的技術，最早在1995年出現。由於場效應電晶體器件的效能不取決於阻抗，因此尺寸可以做到遠小於微量吸液管和微電極，從而提供可靠的細胞內測量能力。Nano FET探針經過微創設計，能夠透過細胞內吞作用進入細胞，不會出現溶液交換。用於心肌細胞的高解析度細胞內記錄。這種手段的顯著優勢在於探頭位置準確。基於場效電晶體的裝置是與單個神經細胞互動的最佳選擇。

奈米技術的應用

奈米技術在生命科學中的應用已經在生物感測、診斷和藥物輸送系統等領域產生了很大影響。由於與生物分子尺寸接近，基於奈米材料的遙感裝置（使用奈米線，

奈米顆粒

）在生物分子檢測方面體現了更高的效能。對於神經科學領域，奈米技術可以把神經電極縮小到實現選擇性刺激和記錄指定單個神經細胞。

半導體奈米線（nanowire，NWs）提供了一個獨特的，強大的化學和生物感測平臺，在最近十幾年取得了進展。直徑小於約100奈米的半導體奈米線合成方面，已經可以有效控制組成，形狀和尺寸。多種基於奈米線的電子器件已經可以製作，包括場效應電晶體，這些都為高效能感測器奠定了堅實的基礎。自從2001年證實矽奈米線場效應電晶體（silicon NW FETs）可以用作感測器，他們已經能夠用於檢測帶電化學物質、生物分子和病毒；它們也被用於研究單個培養的神經細胞和心臟組織。奈米線也被用於遞送生物分子進入細胞。基於奈米線的裝置由於表面積與體積的比值較高帶來更高的敏感性，實現了遠優於標準平面場效應電晶體陣列的信噪比，從而在分子尺度上與生物系統如神經元和心肌細胞進行高水平的互動。下面介紹一些新興奈米技術用於電生理學，記錄多種細胞電訊號的最新進展：

奈米線與細胞之間的第一個電子介面在2006年發表，成功搭建了由奈米線場效電晶體和神經細胞網路組成的混合結構。隨後生物介面複雜性的下一個標誌，是利用SiNW FET裝置記錄了一個完整器官——跳動的心臟。這些裝置在柔性塑膠襯底上製造以包裹組織，增加與被測組織的接觸面積。在2010年的另外一項研究中，SiNW FETs用於繪製腦神經細胞迴路。結果表明，裝配在透明襯底上的電晶體元件可以可靠連線到急性腦切片。對於神經細胞叢集進行高度本地化記錄的能力可有助於監測神經網路的動態連線圖譜，並且對於理解

神經迴路

及其可塑性提供重要資料。

首先，奈米線器件表現出非常高的靈敏度和良好的信噪比，這樣的高靈敏度源於奈米線的小直徑，減少奈米線和細胞膜的間隔從而降低潛在訊號洩漏。其次，奈米線器件具有很高的空間解析度。奈米線直徑通常小於100nm，並且典型奈米線器件的有效結合面積很小（小於0。06平方微米，比微電極陣列和平面場效應電晶體小兩個數量級），同時奈米線裝置也擁有亞毫秒的時間解析度。

奈米線場效應

電晶體陣列可以成為研究大腦神經迴路的強大平臺。

奈米元件的大規模陣列已經可以實現多路複用的實時電子監測，終極目標是實現神經組織和心臟組織的訊號圖譜繪製。目前階段，

奈米線場效電晶體陣列

主要應用於基礎神經科學研究，或者說體外測量，而不是體內電極。從上述優點展望未來，基於奈米材料的電子裝置可以搭建細胞與電路之間的橋樑，用於假肢等，這些技術挑戰可以透過奈米管場效應電晶體陣列伸入細胞內部來解決。隨著更高解析度、更小體積的下一代奈米線場效電晶體陣列的製造，革命性的奈米假肢可以進一步減少組織損傷和疤痕，同時更接近目標細胞，解決各種疾病。

相互連線的神經元和奈米線場效應電晶體陣列示意圖

垂直奈米線電極陣列

奈米加工技術的快速發展帶來了顯著改進細胞和電極之間電氣耦合的新型器件。標準矽納米制造工藝可以把垂直矽電極陣列（vertical silicon electrodes array，VNEA）縮小到奈米尺度，作為一個可擴充套件的

神經迴路細胞

內互動平臺，用於錄製

神經元細胞

的動作電位。

基於垂直奈米線的可擴充套件細胞內電極陣列平臺可以同時針對體外分離培養老鼠皮層神經組織的細胞內記錄和刺激，另外也可以用於繪製多個突觸的連線圖。基於矽奈米加工技術，該平臺的拓展性提供了實現與幾百個神經細胞同時進行高保真互動的明確技術路線。

目前大多數微加工神經介面都基於細胞膜外的電極，因此無法測量臨界值以下的神經活動，也無法準確對應每個細胞與每個電極。有的電極太大無法與單一神經細胞進行互動。最近，最新奈米加工技術已經催生了新型微納器件的發展，實現了細胞與電極之間電耦合的顯著提升。利用現有的大規模半導體微加工技術，垂直奈米線電極陣列（vertical nanowire electrode array，VNEA）專門為了解決這一問題而設計。

左圖 9個矽奈米線構成的電極陣列的電鏡成像，奈米線直徑遠小於典型的神經細胞，專門為單細胞內測量設計。

右圖

大鼠皮層細胞

在VNEA板上的電鏡成像。

雖然展示的原型只有16個記錄/刺激通道，利用標準的半導體微加工流程可以很容易提高數量和密度。比如目前的深紫外光刻可以在每平方毫米加工出1萬個電極。互補型金屬氧化物—半導體電路與VNEA的整合將進一步允許片上數字化、訊號複用、壓縮和遙測。CMOS（互補金氧半導體）工藝與VNEA的整合可以實現片上數字化、訊號多路複用、資料壓縮和遙測。最後，VNEA的小尺寸也方便進行體內植入，就像目前使用的植入

矽基微電極陣列

，為神經假體和體內大規模神經迴路動態研究提供新的可能性。