柔性高密度微電極陣列（HDMEA）已成為閉環(huán)腦機(jī)接口（BMI）的關(guān)鍵組件，為記錄、刺激提供高分辨率功能。這些柔性陣列相比剛性陣列更具優(yōu)勢(shì)，例如，減少接口和組織之間的不匹配，無(wú)懼微小運(yùn)動(dòng)，以及持續(xù)的長(zhǎng)期性能等。

微電極陣列（MEA）由緊密排列的微電極網(wǎng)格組成，可用于檢測(cè)來(lái)自神經(jīng)元的電生理信號(hào)或傳遞電脈沖以刺激神經(jīng)活動(dòng)。微電極陣列通常是閉環(huán)腦機(jī)接口不可或缺的組成部分，充當(dāng)了解碼神經(jīng)信號(hào)并將電刺激傳回大腦的組件，從而實(shí)現(xiàn)雙向通信。傳統(tǒng)的單通道或多通道（相距>200μm）微電極陣列在閉環(huán)腦機(jī)接口的開發(fā)和應(yīng)用中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

與傳統(tǒng)的微電極陣列相比，HDMEA的密度和通道數(shù)顯著提高，具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，HDMEA能夠以更高的空間分辨率和更高的精度檢測(cè)、刺激神經(jīng)活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射，更好地理解復(fù)雜的大腦功能。其次，高密度電極提供了更全面的數(shù)據(jù)集。豐富的數(shù)據(jù)對(duì)于先進(jìn)神經(jīng)解碼算法至關(guān)重要，進(jìn)而可以將神經(jīng)活動(dòng)轉(zhuǎn)化為更準(zhǔn)確、更細(xì)致的腦機(jī)接口命令。第三，在較低密度的陣列中，來(lái)自多個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)通常在較大電極區(qū)域被平均化，造成關(guān)鍵信息丟失。HDMEA可以減少這種空間平均，從單個(gè)或小組神經(jīng)元捕獲更多離散信號(hào)。最后，隨著更多電極與神經(jīng)元相互作用，HDMEA有望促進(jìn)腦機(jī)接口和大腦之間更復(fù)雜、更微妙的相互作用，從而帶來(lái)更復(fù)雜的應(yīng)用和治療。

HDMEA可分為剛性和柔性兩種類型，具體取決于用于制造微電極的基板材料。目前，最先進(jìn)的HDMEA是采用硅制造技術(shù)的剛性HDMEA。然而，剛性HDMEA經(jīng)常遇到局限性，包括炎癥反應(yīng)、組織損傷、長(zhǎng)期穩(wěn)定性有限以及生物相容性等問(wèn)題。

與各種刺激模塊集成的柔性HDMEA

柔性微電極陣列通常由聚酰亞胺或聚對(duì)二甲苯等軟性材料制成，可以巧妙地模制神經(jīng)組織，減少接口和腦組織之間的不匹配，從而降低組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)，并確保與神經(jīng)元更穩(wěn)定、更緊密的相互作用。此外，柔性微電極陣列的適應(yīng)性使其能夠順應(yīng)大腦內(nèi)的生理變化和運(yùn)動(dòng)，保持接合，從而支持腦機(jī)接口系統(tǒng)的壽命和魯棒性。因此，微電極陣列的柔性不僅有益而且至關(guān)重要，能確保閉環(huán)腦機(jī)接口在研究和臨床應(yīng)用中的可行性、可靠性和有效性。進(jìn)一步融合柔性HDMEA的優(yōu)點(diǎn)，使柔性基板能夠適應(yīng)高分辨率電極陣列，這對(duì)于識(shí)別復(fù)雜神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)具有不可估量的價(jià)值，特別是在精度和適形性至關(guān)重要的動(dòng)態(tài)或軟組織環(huán)境中。

除了柔性和高密度，面向閉環(huán)腦機(jī)接口的理想柔性HDMEA還包括幾個(gè)關(guān)鍵特性。其中包括生物相容性、高質(zhì)量性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等。然而，開發(fā)具有這些理想特性的柔性HDMEA需要面對(duì)HDMEA固有的普遍挑戰(zhàn)，以及與其柔性設(shè)計(jì)相關(guān)的特定挑戰(zhàn)，例如機(jī)械、電氣、生物、化學(xué)和互連問(wèn)題等。為此，研究人員采用了多種策略，涵蓋了材料探索、柔性HDMEA設(shè)計(jì)創(chuàng)新、先進(jìn)制造策略、工程優(yōu)化以及整體組合策略等，旨在提高柔性神經(jīng)接口的性能并最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)。

未來(lái)柔性HDMEA策略

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國(guó)密歇根州立大學(xué)（Michigan State University）和定量健康科學(xué)與工程研究所的研究人員在Front. Neurosci.期刊上發(fā)表了一篇題為“Flexible high-density microelectrode arrays for closed-loop brain–machine interfaces”的綜述文章，對(duì)閉環(huán)腦機(jī)接口領(lǐng)域的柔性HDMEA進(jìn)行了全面綜述。該綜述詳細(xì)分析了HDMEA高密度配置的構(gòu)成、HDMEA設(shè)計(jì)和制造的核心原理，同時(shí)還展示了該領(lǐng)域的最新范例。該綜述客觀總結(jié)并討論了當(dāng)前該領(lǐng)域面臨的一系列挑戰(zhàn)，包括機(jī)械、電氣、化學(xué)、生物以及與高密度互連相關(guān)的挑戰(zhàn)。隨后，還討論了材料、設(shè)計(jì)、表面改性和制造方面的創(chuàng)新策略及最新進(jìn)展，進(jìn)而為下一代柔性HDMEA鋪平道路。該綜述旨在闡明柔性HDMEA的發(fā)展軌跡，詳細(xì)介紹當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)柔性HDMEA對(duì)閉環(huán)腦機(jī)接口的未來(lái)影響。

未來(lái)柔性HDMEA先進(jìn)材料案例

總之，柔性HDMEA已成為閉環(huán)腦機(jī)接口極具前景的技術(shù)之一，與傳統(tǒng)的剛性電極相比，它具有更高的分辨率、更大的選擇性和更好的生物相容性。然而，這些陣列的開發(fā)和應(yīng)用仍然存在許多挑戰(zhàn)，例如機(jī)械和電氣穩(wěn)定性、生物相容性、功率和能源效率以及臨床轉(zhuǎn)化等。

閉環(huán)腦機(jī)接口中集成的先進(jìn)柔性HDMEA概覽

對(duì)于柔性HDMEA的未來(lái)研究方向，新材料的開發(fā)至關(guān)重要，特別是對(duì)于更理想的柔性基材、導(dǎo)電材料和封裝解決方案。這些材料需要穩(wěn)定、高效且耐用，才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期使用。電極表面改性策略也至關(guān)重要，以確保長(zhǎng)期效率和穩(wěn)定性。精確激光圖案化和3D打印等制造技術(shù)的進(jìn)步，將極大促進(jìn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)功能的HDMEA。在連接技術(shù)方面，集成無(wú)線系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控將提高這些器件的臨床適用性。研究柔性HDMEA在閉環(huán)腦機(jī)接口中的應(yīng)用，以及它們?cè)趶膰X動(dòng)物和人類到昆蟲等小型生物中的應(yīng)用，為理解神經(jīng)機(jī)制、疾病診斷和治療以及生物檢測(cè)提供了新機(jī)遇。

論文鏈接：
https://doi.org/10.3389/fnins.2024.1348434