薄膜电极揭示了人类大脑活动的关键信息

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公司是在美国国防高级研究计划局(DARPA)资助的SUBNETS(基于系统的新兴疗法神经技术)项目下开发的32通道多电极阵列，该项目旨在改善军人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。

此前，人类海马体中行波的性质一直存在争议，因为之前的体内研究依赖于穿透深度电极记录。据该论文的第一作者、加州大学旧金山分校的神经学家乔纳森·克林(Jonathan Kleen)称，这些电极仅为研究人员提供了海马体不同层次的几个单文件记录位置，这使得几乎不可能准确了解电波是如何在海马体结构中移动的。

然而，由于它们高密度的网格布局，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的方法来揭示，海马体表面的某些区域根据波移动的方向被更强烈地激活。

“这是进一步的证据，表明电波的传播路径可能暗示了海马体在那一刻正在做什么，”克林说。

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。

“知道我们的设备在患者身上测试成功，让研究人员获得了更多了解的新信息，这绝对是一种奖励。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。

LLNL生物工程中心主任Shankar Sundaram说:“将这些设备的精确数据与下一代数据分析相结合，不仅能进一步加深我们对大脑内部工作原理的理解，还能带来对神经疾病的革命性治疗。”

LLNL的可植入微系统集团主要专注于制造耐用、持久的设备，以帮助诊断和潜在提供神经系统治疗。利用多年的经验和专用精密加工能力和基础设施,研究小组正致力于获得美国食品和药物管理局认证建立human-grade sub-chronic植入设备和正在探索发展,这可能仍在大脑中长达30天,Haque说。

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