传感器网格人类大脑信号记录在破纪录的决议

一个工程师团队,神经外科医生和医学研究人员已经从人类和老鼠公布的数据表明一个新数组的大脑传感器可以记录电信号直接从人类大脑的表面在破纪录的细节。新的大脑传感器特性密集网格的1024年或2048年嵌入式electrocorticography (ECoG)传感器。《科学-转化医学》杂志上的论文发表在1月19日,2022年。

这些薄,柔软的网格ECoG传感器,如果批准临床使用,提供神经外科医生的脑波信息直接从大脑皮层的表面比今天可用的高分辨率100倍。访问这个高度详细的角度组织在大脑特定区域的表面,或大脑皮层,是活跃的,当,可以提供更好的指导计划手术切除脑瘤和外科手术治疗癫痫耐药。长远来看,团队正致力于这些高分辨率的无线版本ECoG网格可以使用30天的大脑监测顽固性癫痫。科技还拥有永久植入潜力,提高居民的生活质量与瘫痪或其他神经退行性疾病,可以接受电刺激如帕金森病、特发性震颤、神经运动障碍称为肌张力障碍。

这个项目是由电气工程教授Shadi Dayeh加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院。的工程师团队,神经外科医生和医学研究人员来自加州大学圣地亚哥分校;马萨诸塞州综合医院;俄勒冈健康与科学大学。

下一代Electrocorticography

记录大脑活动从网格的传感器直接放置于表面的brain-electrocorticography (ECoG)——已经是常用的神经外科医生执行程序作为一种工具,从而达到去除脑部肿瘤和治疗癫痫的人不应对药物或其他治疗。新工作的科学转化医学提供了一个广泛的同行评议的数据表明网格与1024或2048传感器可用于可靠地记录和处理电信号直接从表面的人类和老鼠的大脑。相比之下,ECoG网格最常用在今天的手术通常有16至64传感器,虽然研究级电网256传感器可以定制。

能够记录大脑信号在这种高分辨率可以提高神经外科医生能够删除尽可能多的脑肿瘤的同时最小化损害健康的脑组织。对于癫痫、高分辨率的脑波记录能力可以提高神经外科医生的能力正是大脑识别区域的癫痫发作是原始的地方,这些地区可以删除不碰附近的大脑区域没有参与发作起始。通过这种方式,这些高分辨率网格可能增强保护正常,正常运转的大脑组织。

证明ECoG网格与传感器在成千上万的函数也打开了新的机会在神经科学发现更深入地理解人类大脑的功能。基础科学的进步,反过来,可能导致改进治疗建立在增强大脑功能的理解。

1毫米和1厘米间距

记录大脑信号在更高的分辨率是由团队的能力将单个传感器明显接近彼此之间不创建问题干扰附近的传感器。例如,团队的three-centimeter-by-three-centimeter网格与1024 -传感器记录信号直接从脑组织的19人同意参加这个项目在他们的“停机”已经安排脑部手术相关癌症或癫痫。在这个网格配置中,传感器是一毫米除了对方。相比之下,ECoG网格已经批准用于临床使用的传感器,通常放置1厘米。这提供了新的网格100传感器相比,单位面积上单位面积上的传感器对临床使用电网,提供更好的空间分辨率100倍解释大脑信号。

传感器由铂金Nano-Rods

在使用以铂为基础的传感器记录从大脑神经元电活动并不新鲜,该研究小组使用铂的小说:纳米铂棒。nano-rod形状提供了更多比平铂传感器感应面积,这有助于使传感器更敏感。传感系统是基于这一事实的电子计数铂nano-rods回应大脑中的神经元放电的变化。

带电离子进出一个神经元被触发后。这个运动的带电离子引起电压的变化潜在的脑脊液神经元是沐浴在。电压的变化可能在脑组织和脑脊液改变电子的人口数量在铂nano-rods负责筛选过程。这样,神经元的放电达到或接近表面的大脑皮层记录近乎实时的铂纳米棒和高精度。

薄而柔韧的传感器在不同大小的网格

人类的大脑总是移动。每一次心跳,例如,大脑与脉动血液流经它。基于铂nano-rod传感器网格更薄和更灵活的比今天的临床批准ECoG网格。薄和灵活性允许传感器网格与大脑,使更紧密的联系和更好的阅读。此外,小的网格制造,环形孔允许脑脊髓液通过。通过这种方式,这些灌注孔支持更好的传感器网格之间的接口和大脑表面通过允许传感器很容易和安全地取代液体。

新的白金nano-rod大脑传感器网格十微米厚,大约人类头发的十分之一和100倍比1毫米厚的和薄临床批准ECoG网格。nano-rods是嵌入在一个透明、柔软和灵活的生物相容性的材料叫做聚对二甲苯在大脑直接接触的表面。从脑电信号的旅游,通过脑脊液,并达到白金的暴露表面nano-rods嵌在聚对二甲苯。这个设计产量传感器网格形式紧密和稳定与大脑表面,改善信号质量。

生产过程也可以用于各种各样的大小和形状,它开辟了新的可能性更大的和定制的皮层覆盖。从更大的大脑区域收集信号同时可以解锁更多的大脑的奥秘。

通过密切合作工程师由加州大学圣地亚哥分校电气工程Dayeh教授和临床医生领导的神经外科医生Ahmed Raslan俄勒冈健康与科学大学的团队实现了改进设计专门供临床使用。例如,定制的传感器网格允许神经外科医生可以与专业印刷洞插入探针在正确的位置和应用直接电刺激大脑组织在特定的位置。目标的高分辨率ECoG网格批准临床使用,Dayeh, Raslan co-first作者Youngbin Tchoe联合创立了一家名为精密Neurotek公司。

更精确的功能映射

删除脑瘤的挑战之一是肿瘤的存在引发大脑的变化,包括改变的大脑区域参与什么功能。这些变化使其关键的手术团队做出个性化的病人的大脑地图——“功能地图”——以决定削减,而不是削减而消除尽可能多的肿瘤。

科学转化医学论文的作者证明了这些功能地图可以非常精确的使用他们的白金nano-rod ECoG传感器。尤其是团队开发了功能地图边界的四个不同的人在大脑中称为中央沟。中央沟把大脑somatomotor皮质躯体感觉皮质。在这四个人中,研究者把白金nano-rod网格表面的受试者的大脑,要求他们做一些活动,包括手抓。根据这些信息,研究人员重建的实际位置关键里程碑式的大脑以及神经关联的大脑对应手指感觉和手抓。铂nano-rod网格的结果符合的结果低分辨率ECoG网格已经批准用于临床使用,但随着更多关于确切位置的精度这一重要功能之间的边界somatomotor皮质躯体感觉皮质。新划定的边界曲线功能独特的每个病人的大脑是优于常外推和线性边界,确定从今天的one-centimeter-spaced临床网格。

神经科学的见解

团队的一些新出版的数据对老鼠的研究也证明效用开放网格的基本神经科学研究的新途径。科学转化医学论文,例如,包括研究人员认为是第一个映射皮质列在一只老鼠的大脑表面的录音。过去,皮质列的映射是通过放置一个针表面的大脑和连续电刺激和运动的针在大脑表面。更一般的,白金nano-rod网格提供高分辨率的数据在时间和空间开辟了许多新的可能性为发现新的了解大脑是如何工作的。

另一个观察启用新的网格发现短和地方以及长期和广泛的脑电波与大脑功能在同一时间。这么高,空间和时变(动态)的大脑活动是记录在几个补充电影相关的科学转化医学论文,被用来解释的手运动以新的方式利用脑电波模式。

下一个步骤

团队正在采取一系列措施并行推进这些网格,这样他们有资格审查批准短期,中期和长期使用。例如,团队,由加州大学圣地亚哥分校电气工程教授Shadi Dayeh,被授予1225万美元NIH大脑研究通过推进创新公司成员®(大脑)计划资助专注于发展传感系统,下一步将是难治性癫痫患者的临床试验。这也给予基金努力使系统无线,这将是重要的中期和创建植入式网格的长期使用。

加快这些植入物的翻译更广泛的临床使用,加州大学圣地亚哥分校目前正在建立一个良好生产规范(cGMP)实验室共同教授Dayeh和亚历山大•Khalessi也和凯伦科恩总理是谁赋予的椅子在神经外科和神经外科学系主席加州大学圣地亚哥分校的健康。这个cGMP将规范的制造网格获得FDA批准用于小型临床试验。

参考:Tchoe Y, Bourhis,克利瑞博士等。人类大脑映射与multithousand-channel PtNRGrids解决时空动力学。科学。Transl。地中海。2022年。doi:10.1126 / scitranslmed.abj1441

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