薄膜电极显示对人脑活动的关键洞察力
劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)开发的薄膜电极已用于加州大学旧金山分校(UCSF)的患者，产生了从未见过的大脑海马体(负责记忆和其他认知功能的区域)活动记录。
在今天发表在杂志上的一项研究中自然通信，UCSF的外科医生将灵活的阵列放在一组患者的大脑上，而他们已经进行了与癫痫相关的手术。它们在暴露的海马中记录了电信号，而一些患者在麻醉下，其他患者醒着，而且在记录了他们的神经活动时，有意识的患者被视为视觉提示并说话。这种方法允许研究人员检测穿过海马表面的行驶波，并确定它们的新属性，包括如何为人类认知有助于如何促进人类认知。
“我们开发了一种能够展示以前真正可能的现象的启用技术，”LLNL的植入微系统集团领导Razi Haque表示。“这一挑战需要创建新颖，适当和更高密度的电极，使它们更加灵活，围绕大脑的特定深处包裹。这项研究是验证我们使用的方法使我们成为一致，可用的方法和有用的数据。这是我们作为工程师的司机 - 能够建立科学家可以用来做新科学的工具。“
LLNL在国防高级研究项目机构（DARPA） - 特许的子网（基于系统的神经技术用于新兴疗法的系统）方案中开发了32通道的多电极阵列，该计划旨在改善军事服务成员中神经精神疾病的治疗。
UCSF神经外科和科学家Edward Chang，子网计划的主要调查员，推测阵列可以用于单独的研究检查海马在记忆功能中的作用。通过在患者接受手术的同时记录暴露的海马表面的神经活动，研究人员可能会证实存在旅行波的存在，科学家长长的理论在用于形成存储器的路由信息中发挥重要作用并执行其他认知处理。
以前，人类海马行驶波的性质已经存在争议，因为先前的体内研究依赖于穿透深度电极记录。根据论文的铅作者和UCSF神经科医生Jonathan Kleen，这些电极已经提供了几个单层的单文件记录网站，几乎不可能理解波浪在整个结构上移动。
但是，由于它们的高密度网格布局，小尺寸(小于一毛钱)以及它们符合海马体表面的能力，llnl开发的设备为研究人员提供了一个关键的鸟瞰视角，以了解信号如何像水中的波浪一样在海马体表面移动和反转，克林说。
“这个新的观点帮助我们发现行波同时在海马体上下移动，”克林说。“这条‘双行道’与之前的神经科学研究显示的‘单行道’形成了鲜明对比。这很重要，因为我们相信这可能是海马体作为大脑其他区域信息和记忆处理的主要中枢的基本机制。换句话说，脑电波穿过海马体的方向可能是一种生物标志物，反映出不同的神经回路参与和脱离时不同的神经过程。”
该团队使用了机器学习方法来揭示海马表面的某些区域根据波移动的方向更强烈地激活。
“这进一步证明了波浪行驶的路线可能暗示在那一刻达到海马的升级，”克伦说。
研究人员注意到，当一个有意识的病人试图想一幅画的名字时，以同一频率的行波持续地流向结构的前部。当病人在等待下一次试验时，电波的方向发生了逆转，流向了器官的后部。因此，当它们发生时，波的传播方向可能反映出不同的认知过程，以及可能支持这些过程的信息流动的地方，Kleen说。
该设备由LLNL公司制造，利用了从人工视网膜项目开始的十多年来对薄膜微电极阵列的研究所获得的知识。据制造该设备的工程师Jenny Zhou说，LLNL的工程师已经通过多次制造测试和设计迭代，以及多年的台式测试来评估其稳定性和性能，改进了设备的加工步骤。
“知道我们的设备在成功患者中测试了我们的设备并使研究人员能够访问更多信息以获取更多信息，因此令人享受奖励神经活动“周杭最近的一项研究。”Kudos去了实习生，工程师和技术人员，他们让我们继续该项目。我在Llnl开始作为电化学侧的实习生，以表征最终成为这些薄膜器件的一部分的电极材料，所以对我来说，我很高兴看到它来满圈。“
由于UCSF研究得出结论，LLNL工程师已经将柔性薄膜装置上的电极数量加倍至64个通道，使得能够更高的分辨率感觉和刺激，并将阵列形成为穿透（或深度）探针。工程师希望每台设备增加频道计数和密度到数百甚至数千个电气。
“具有下一代数据分析的这些设备的精确数据的组合不仅可以进一步了解我们对大脑内部工作的理解，而是导致神经系统疾病的转化性治愈，”Llnl的生物工程中心主任Shankar Sundaram说。
LLNL的可植入微系统集团主要集中在建设耐用，长期的设备上，以帮助诊断和潜在地向神经系统提供治疗。Leveraging years of experience and dedicated microfabrication capabilities and infrastructure, the research group is working toward obtaining accreditation from the U.S. Food and Drug Administration to build human-grade devices and is exploring development of sub-chronic implants, which could remain in the brain for up to 30 days, Haque said.
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