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  近日，上海交通大學微納電子學系劉景全研究員團隊聯合中國科學院神經科學研究所，腦科學與智能技術卓越創新中心李澄宇研究員團隊，實現基于光遺傳技術的可拉伸光電集成腦機接口MEMS器件研發，器件具有高度柔性和一定可拉伸性，能夠自適應腦組織形變或微動，可有效避免腦組織機械損傷，同時引入蛇形金屬屏蔽結構，可有效抑制集成的微型LED芯片誘發偽跡和環境電磁干擾。相關研究成果以“Flexible and stretchable opto-electric neural interface for low-noise electrocorticogram recordings and neuromodulation in vivo”為題，發表于生物傳感領域知名期刊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微納加工技術的發展，柔性腦機接口器件被越來越多地用來精準采集高密度、高信息量的腦電信號，為神經環路功能研究、腦區病灶確診、神經解碼等提供了全新的工具。信號采集的同時，需要對特定腦區的某一類神經元進行選擇性刺激或抑制，而借助光遺傳技術可以大大提升光刺激的空間分辨率。根據刺激位置的需要，可以將光源分為刺入大腦深處和通過大腦皮層進行光刺激兩種，包括帶有開孔的光極探針，光波導、微型LED陣列等光源。貼附在大腦皮層表面的光源，相對侵入性更小，也更適合與柔性ECoG腦皮層電極進行集成。

  在神經科學普遍使用的小鼠動物模型中，由于其腦組織模量僅僅不到15 kPa，且隨著顱內壓會發生一定程度的膨脹變形，因此，近年來有研究人員將重點集中在如何讓ECoG柔性電極具有可拉伸性，滿足腦組織形變需求，例如采用剪紙結構、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。現有研究暫未將高精度光源引入到ECoG電極結構中，這需要保證集成光源的應變適應性，密封性和穩定性等。劉景全研究員團隊通過將微型LED芯片集成在可拉伸彈性基底內并結合ECoG電極，形成光電集成的可拉伸柔性腦機接口器件，對于神經科學和腦疾病探索具有廣闊的應用價值和前景（圖1）。

圖1. 集成封裝的可拉伸光電集成腦機接口器件照片

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

圖2. 可拉伸光電集成腦機接口器件力學拉伸和彎曲性能

  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境都存在電磁干擾，影響神經信號的采集質量，因此在設計可拉伸光電集成腦機接口器件中蛇形記錄電極時，預期通過增加一層金屬，起到電磁屏蔽的效果。通過靜電場仿真，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。而通過體外誘發偽跡測試，金屬屏蔽層的增加，使得LED供電時誘發的偽跡幅值降低超過50%，這對于實際在動物體內使用時有重要意義，可以有效減輕LED供電開啟和結束時引入的電場變化，降低電磁干擾帶來的影響，提高記錄信號的質量（圖3）。

圖3. 蛇形金屬屏蔽層的靜電場模擬及體外誘發偽跡測試

  最后，通過急性動物實驗，驗證了可拉伸光電集成腦機接口器件的光刺激與信號采集能力。金屬屏蔽層接地后，各通道ECoG信號采集信噪比明顯提高，可見金屬屏蔽層對周圍環境的電磁干擾能夠起到抑制作用。另外，通過不同位點LED工作誘發的負電位結果，證明其具有良好的光刺激空間分辨率（圖4）。這一結果證明了該新型器件在長期可靠植入，匹配腦組織機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勢，同時在其他類型神經接口上具有應用潛力。

圖4. 小鼠大腦皮層表面記錄微型LED光刺激誘發的ECoG信號

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