Nat Commun | 新型ECoG技术推动微创神经接口的革新

ECoG（Electrocorticography，电皮层图记录）是一种成熟的神经接口技术，通过电极阵列对大脑皮层表面进行大面积记录。通常，ECoG置于大脑皮层的外侧或内侧，能够实现对大脑广泛区域的高时空分辨率电生理学记录。目前，ECoG阵列已在临床上作为癫痫治疗的诊断工具。然而，大面积ECoG阵列的植入是一种高度侵入性的手术，增加了感染、手术并发症和术后修复的风险，限制了ECoG技术的广泛应用。

近期，剑桥大学工程系及生物医学工程研究所的研究人员开发了一种集成软流体驱动技术的柔性薄膜电极阵列，展示了一种微创皮层下形状可变的大面积电皮层图记录装置MI-ECoG（微创电皮层图）。这种包含32电极的装置可以通过受折纸启发的折叠方式进行压缩，并通过小型钻孔颅骨开窗植入大脑，实现大面积皮层覆盖。该ECoG记录装置为微创手术大面积神经接口的实现提供了临床可行的途径。相关研究成果于2024年7月26日发表在《Nature Communications》期刊上。

技术特点

MI-ECoG的设计和制造

MI-ECoG是一种大型柔软的神经接口设备，可以折叠成小型结构，从而通过钻孔颅骨开窗将其置于皮层表面下方。通过在设备中心集成一个流体驱动室，该设备可以通过充气在原位展开，从而覆盖大面积皮层区域并进行神经记录（图1A）。制造MI-ECoG设备涉及薄膜制造技术、软光刻和光刻技术等（图1B）。

MI-ECoG设备涉及的关键技术点包括：

1. 设备结构：中心流体室由两层聚对二甲苯（Parylene-C）形成，中间隔以薄的肥皂基防粘层。二氧化碳激光切割器用于定义设备轮廓和形成中心柱体，以减少垂直扩展。

2. 压力耐受性：调整激光参数以增强两层聚对二甲苯之间的粘合，使流体室承受高流体压力。整体硅胶制造工艺结合两层聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装流体室，增加了设备的压力耐受性，最终形成厚度为60-70微米的设备，并增强了防漏能力。

3. 术中跟踪：设备每侧集成硅胶-铋复合材料制成的不透明X光标记物（图1C），用于手术中X光成像跟踪扩展。这些标记物柔韧且生物相容，适合集成到薄膜植入物中。

4. 电极阵列：MI-ECoG设备包含32电极阵列，由1.6毫米直径的PEDOT:PSS电极组成，并结合PEDOT:PSS/金轨迹以减少电极阻抗。设备的完整横截面结构在图1C、D中展示。

5. 硬膜下部署：设备采用受折纸启发的手风琴式折叠，每个折叠宽度为1毫米，确保在有限的硬膜下空间内顺利扩展。定制的引入工具（图1E）配合热缩管围绕手术镊子形成矩形尖端，确保设备在植入过程中的稳定性和正确方向。

Fig 1：受折纸启发的MI-ECoG记录系统的概述和设计。A: MI-ECoG概念图解 (i) 使用钻孔颅骨开窗将折叠的ECoG设备植入皮层表面，(ii) 使用流体驱动展开，提供大面积皮层感测。B: 制造的薄膜MI-ECoG设备概述。C: MI-ECoG设备结构的横截面图。D: MI-ECoG设备的2D横截面图。E: 用于包装和插入MI-ECoG的定制植入工具的示意图。

MI-ECoG的体外机械测试

MI-ECoG在有限的硬膜空间内扩展存在挑战，对此研究人员进行了体外机械测试。首先，测试了MI-ECoG能够承受的最大压力（图2A）。结果发现，MI-ECoG能够承受34-37千帕的空气压力，承受77-89千帕的水压力，耐压能力显著高于其它研究中使用的神经植入设备。

其次，研究人员使用复合水凝胶模拟猪脑组织的机械特性（图2B），以此测试了MI-ECoG插入并扩展到复合水凝胶层下“硬膜”所需的流体压力。然后，采用受折纸启发的手风琴式折叠包装设计。结果表明，MI-ECoG能够在体外模型中实现完全扩展（图2C, D）。

Fig2：MI-ECoG系统在水凝胶脑模型中的体外表征。A: 使用空气或水以 1 ml/min的速度为 MI-ECoG 充气直至装置失效的时间图。B: 测试设备扩展的体外脑模型示意图。MI-ECoG放置在定制植入工具内的脑模型表面，显示出模型的最大位移。C: 俯视图显示了MI-ECoG在体外脑模型中扩展的情况。D: 设备在脑模型中扩展前后的侧视图。E: 在体外扩展过程中施加在MI-ECoG上的空气压力。F: 时间序列图像显示了50mm宽的MI-ECoG在脑模型中使用约16千帕的气压扩展的情况。

MI-ECoG生物活体测试

MI-ECoG在成功通过体外脑模型测试后，被应用于猪模型进行进一步研究。首先，研究人员在实验猪的两侧大脑皮层分别植入两个MI-ECoG设备。植入过程中，使用14-17千帕的空气压力，确保MI-ECoG在大脑表面实现良好的皮层接触。扩展完成后移除空气压力，以减少MI-ECoG厚度并增加皮层贴合性。X光成像监测了整个扩展过程。

术后，MI-ECoG记录皮层脑活动，并与传统PtIr ECoG记录的信号进行对比。为验证设备的功能性和有效性，听觉诱发电位（AEPs）被记录下来。结果发现，MI-ECoG成功扩展并与大脑表面良好接触，记录的AEP信号与传统PtIr ECoG设备相似。AEP信噪比（SNR）显示，MI-ECoG的记录噪声较低。MI-ECoG在扩展后可通过硬膜上的切口滑回移除，显示出良好的可操作性和安全性。并且，在完全移除头骨后，MI-ECoG在硬膜下完全展开，并未对大脑表面造成明显损伤。

以上结果，表明MI-ECoG在猪模型中的成功应用，且MI-ECoG能够在大脑表面良好的扩展并能够记录电生理活动。同时，MI-ECoG的设计确保了其在使用后的可移除性和对大脑的低损伤性。

Fig3. 在猪模型中体内植入和扩展 MI-ECoG 装置。A: 在猪模型中将 MI-ECoG 装置植入皮层下的插图。B:MI-ECoG 装置扩展前、扩展中和扩展后的 X 光图像，白色方框显示使用 X 光不透明标记追踪的装置轮廓。C: 使用注射器手动向装置施加气压，以展开 MI-ECoG。D: 工作电极植入前在生理盐水中和植入后在皮层上, 以 1 kHz 频率测量的阻抗。E: MI-ECoG 电极阵列扩张后从皮层表面记录的诱导 AEPs（黑色）与基线记录（灰色）的对比。F: MI-ECoG（蓝色）和传统植入的 PtIr ECoG（红色）上，记录的平均AEPs。G: MI-ECoG和 PtIr记录的 AEP 的平均功率谱密度响应。H: MI-ECoG和PtIr ECoG记录的AEP的信噪比。

在现代医疗领域，如何实现微创且高效的神经接口一直是一个重要挑战。剑桥大学团队的最新研究通过软流体驱动技术带来了突破性进展。研究团队开发了一种名为MI-ECoG的设备，通过改进的流体设计，该设备可以在开颅孔内展开，成功覆盖600平方毫米的皮层区域。受折纸启发的设计理念使设备能够在形态激活后完全展开，且提供与传统方法相似的电生理性能。猪模型的测试结果显示，MI-ECoG在植入后无明显的变化且记录效果与传统ECoG信号相当，显著减少了患者的手术风险。

此外，MI-ECoG设备的设计高度灵活，电极材料和布局可以根据不同的临床需求进行定制。例如，使用完全由PEDOT:PSS构成的电极以便更好地进行神经刺激应用。未来，MI-ECoG设计将进一步优化，如精细化薄膜设计以兼容高密度电极布局，同时保持机械性能。研究团队计划将MI-ECoG设备与机器人和手术神经导航系统整合，提升手术的精准度和安全性。这种微创设计有望在更广泛的临床应用中发挥作用，为生物电子医学领域开辟新的发展方向。

Reference:

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50597-2

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