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飞秒激光分层表面重构用于下一代神经接口电极和微电极阵列
飞秒激光分层表面重构用于下一代神经接口电极和微电极阵列 Shahram Amini * 1,2、Wesley Seche 1、Nicholas May 2、Hongbin Choi 2、Pouya Tavousi 3、Sina Shahbazmohamadi 2 1 Pulse Technologies Inc.，研究与开发，宾夕法尼亚州 Quakertown 18951 2 康涅狄格大学生物医学工程系，康涅狄格州斯托尔斯 06269 3 康涅狄格大学 UConn 科技园，康涅狄格州斯托尔斯 06269 * 通信地址为 SA（电子邮件：samini@pulsetechnologies.com）摘要 长期植入式神经接口设备能够通过神经刺激以及感知和记录往返于神经组织的电信号来诊断、监测和治疗许多心脏、神经、视网膜和听力疾病。为了提高这些设备的特异性、功能性和性能，电极和微电极阵列（大多数新兴设备的基础）必须进一步小型化，并且必须具有出色的电化学性能和与神经组织的电荷交换特性。在本报告中，我们首次表明可以调整飞秒激光分级重构电极的电化学性能，以产生前所未有的性能值，这些性能值大大超过文献中报道的性能值，例如，与未重构电极相比，电荷存储容量和比电容分别提高了两个数量级和 700 倍以上。此外，建立了激光参数、电化学性能和电极表面参数之间的相关性，虽然性能指标随着激光参数呈现出相对一致的增加行为，但表面参数往往遵循不太可预测的趋势，否定了这些表面参数与性能之间的直接关系。为了回答是什么推动了这种性能和可调性，以及广泛采用的增加表面积和电极粗糙化的原因是否是观察到的性能提升的关键因素，使用聚焦离子束对电极进行的横截面分析首次表明，存在可能有助于观察到的电化学性能增强的亚表面特征。本报告首次报道用于神经接口应用的飞秒激光分层重构电极的此类性能增强和可调性。简介人口老龄化和大量心脏 1,2 、神经 3-6 、视网膜 7,8 和听力障碍 9,10 的存在，这些疾病无法仅通过药物治愈，导致需要长期植入设备的患者数量显著增加。表 1 总结了这些设备及其广泛的应用范围。植入式设备通过将外部电信号从神经刺激器或植入式脉冲发生器 (IPG) 传输到植入式电极或微电极阵列，然后穿过神经细胞或组织 11 的膜，对活组织进行人工刺激。神经系统负责传输从大脑到肌肉以引起肌肉运动的电信号，反之亦然，从感觉器官到大脑（例如，感觉、听觉和视觉）。如果神经受伤，大脑与周围神经之间的交流中断，例如脊髓损伤 12-15 ，则有可能
使用双侧微电极记录对四肢瘫痪患者的双侧手势进行同时分类
大多数日常任务都需要同时控制双手。在这里，我们使用从四肢瘫痪参与者的双侧运动和体感皮层记录的多单元活动来展示双手手势的同时分类。使用针对每只手分别训练的分层线性判别模型对尝试的手势进行分类。在一项在线实验中，手势被连续分类并用于控制两个机械臂进行中心向外运动任务。需要保持一只手静止的双手试验产生了最佳表现（70.6%），其次是对称运动试验（50%）和非对称运动试验（22.7%）。我们的结果表明，可以使用两个独立训练的手部模型同时解码双手的手势，但随着双手手势组合的复杂性增加，使用这种方法进行在线控制变得更加困难。这项研究展示了使用双侧皮层内脑机接口恢复双手同时控制的潜力。
机械臂可以由大脑控制吗？
我们在一名志愿者的大脑中放置了四个微电极阵列。微电极阵列包含记录和产生神经信号的传感器。神经信号是身体使用的信息。它们与大脑之间传递信息。我们在大脑控制手和手臂运动的部分放置了两个矩阵。这些阵列发送神经信号来控制机械臂。我们在大脑中接收来自手部信息的区域放置了另外两个矩阵。这些感觉基质产生神经信号。当机械手接触到物体时，我们的志愿者就会收到警报。
直接打印三维电极用于大型
1 斯坦福大学材料科学与工程系 2 斯坦福大学电气工程系，斯坦福大学 3 苏黎世联邦理工学院巴塞尔生物系统科学与工程系 4 斯坦福大学生物工程系 5 斯坦福大学神经外科系 6 斯坦福大学化学工程系 7 斯坦福大学医学院，斯坦福大学 8 斯坦福大学汉森实验物理实验室 通讯作者：Nicholas A. Melosh (nmelosh@stanford.edu) 硅基平面微电子学是一种强大的工具，可用于以高时空分辨率可扩展地记录和调节神经活动，但以三维 (3D) 为目标的神经结构仍然具有挑战性。我们提出了一种在硅微电子学上直接制造组织穿透微电极的 3D 阵列的方法。利用基于双光子聚合和可扩展微加工工艺的高分辨率 3D 打印技术，我们在平面硅基微电极阵列上制作了 6,600 个高 10-130 µm、间距 35 μm 的微电极阵列。该工艺可以定制电极形状、高度和定位，以精确定位 3D 分布的神经元群。作为概念验证，我们解决了在与视网膜交互时专门定位视网膜神经节细胞 (RGC) 胞体的挑战。该阵列经过定制，可插入视网膜并从胞体记录，同时避开轴突层。我们用共聚焦显微镜验证了微电极的位置，并以细胞分辨率记录了高分辨率自发 RGC 活动。与平面微电极阵列的记录不同，这揭示了强大的躯体和树突成分，而轴突贡献很少。该技术可以成为一种多功能解决方案，用于将硅微电子与神经结构连接起来，并以单细胞分辨率大规模调节神经活动。
机械臂可以由大脑控制吗？
我们将四个微电极阵列放入志愿者的大脑中。微电极阵列包含记录和产生神经信号的传感器。神经信号是身体使用的信息。它们与大脑之间传递信息。我们在控制手和手臂运动的大脑部分放置了两个阵列。这些阵列发送神经信号来控制机械臂。我们在接收来自手的信息的大脑区域放置了另外两个阵列。这些传感阵列发出神经信号。它们让我们的志愿者知道机械手何时接触到物体。
细胞和组织的阻抗成像 - 开放的元
由于它们的无标签和无创性，阻抗测量吸引了对生物学研究的兴趣日益增加。微观加工和集成电路技术的进步已经为使用大型微电极阵列开辟了一条途径，以实时，高型时静态分辨率的阻抗测量生物样品。在这篇综述中，我们讨论了在体外应用中使用微电极阵列进行阻抗成像的不同方法和测量阻抗的应用。我们首先介绍电极配置和阻抗分析的频率范围如何确定可以提取的信息。然后，我们深入研究相关的电路拓扑，可用于实施阻抗测量及其特征特征，例如分辨率和数据收购时间。之后，我们详细介绍了针对新的阻抗成像设备的设计注意事项。我们通过讨论在生物医学研究中应用阻抗成像的未来领域，特别是无法进行光学成像的应用，例如监测离体组织切片或基于微电极的脑植入物。
机器人手臂可以由大脑控制吗？
我们将四个微电极阵列植入了研究参与者的大脑中。微电极阵列是一种包含记录和引起神经信号的传感器的设备。神经信号是人体用来与大脑传达信息的信息。我们将两个阵列放在大脑区域，以控制手和手臂运动。这些阵列记录大脑活动以解码机器人臂的控制信号。，我们将其他两个阵列放在大脑区域，通常在触摸手时接收和解释信息。使用微小的电脉冲，这些感觉阵列会产生神经信号，这些神经信号提供有关机器人手何时与物体接触的信息。
在整合基于PDMS的微流体设备和微电极阵列的神经芯片平台上的最新进度和观点
摘要：近年来，在应用和解码神经活动在药物筛查，疾病诊断和脑部计算机相互作用中的编码和解码应用方面的进展激增。为了克服大脑复杂性的限制以及体内研究的伦理考虑，已经提高了整合微功能设备和微电极阵列的神经芯片平台，这不仅可以自定义体外神经元的生长路径，而且还可以监测和调节碎屑生长的专用神经网络。因此，本文回顾了整合微流体设备和微电极阵列的芯片平台的发展历史。首先，我们回顾了高级微电极阵列和微流体设备的设计和应用。之后，我们介绍了神经芯片平台的制造过程。最后，我们重点介绍了这种类型的芯片平台的最新进展，作为脑科学和神经科学领域的研究工具，重点是神经药理学，神经系统疾病和简化的脑模型。这是对神经芯片平台的详细而全面的评论。这项工作旨在实现以下三个目标：（1）总结此类平台的最新设计模式和制造方案，为开发其他新平台提供了参考； （2）在神经病学领域概括了芯片平台的几个重要应用，这将吸引科学家在领域的注意； （3）提出了整合微流体设备和微电极阵列的神经芯片平台的发展方向。
对带有集成微流体通道的聚合物袖口电极进行急性体内测试，用于对大鼠坐骨神经进行刺激、记录和药物输送
背景：神经外接口是侵入性最小的周围神经接口之一，因为它们位于神经外部。然而，与侵入性更强的接口相比，这些电极可能存在选择性和灵敏度较低的问题，因为目标神经纤维与电极的距离更远。新方法：通过微加工技术实现了溶解和吸引接口 (LACE)，并旨在提高选择性和灵敏度，同时保持接口格式。它的工程设计在之前的工作中有所描述。LACE 是一种集成了微电极和微流体通道的混合接口。最终目标是通过微通道局部输送 (1) 溶解剂以去除将电极与神经纤维分开的结缔组织，和 (2) 神经营养因子以促进暴露的神经纤维轴突发芽到嵌入电极的微流体通道中，从而提高束状选择性和灵敏度。在这里，我们重点展示微流体和微电极在急性准备中的体内功能，其中我们评估局部去除结缔组织并用微通道嵌入微电极记录和刺激大鼠坐骨神经神经活动的能力。与现有方法的比较：虽然神经外接口优先考虑神经健康，而神经内接口优先考虑功能，但 LACE 代表了一种新的神经外方法，它可能在两个目标上都表现出色。结果：手术植入显示经过小心和最少的操作后，LACE 功能得以保留。体内电评估表明放置在微流体通道内的微电极能够成功刺激和记录来自大鼠坐骨神经的复合动作电位。此外，通过微通道输注胶原酶后，富含胶原的神经外膜被局部去除，并通过显微镜确认。结论：在对大鼠坐骨神经进行的急性实验中证明了使用集成微电极和微流体的cuffi来刺激、记录和输送药物以局部溶解神经外膜层的可行性。
使用植入大鼠运动皮层植入的无定形碳化物微电极阵列的局部田间电势的慢性稳定性
摘要：可植入的微电极阵列（MEA）可以记录皮质神经元的电活动，从而允许脑机界面的发展。然而，MES显示在慢性条件下的记录功能降低，促使新型MEA的发展可以改善长期性能。传统的平面，基于硅的装置和超薄的无定形碳化硅（A-SIC）测量植入雌性Sprague-Dawley大鼠的运动皮层中，并在植入后进行每周的麻醉记录。在两种设备类型的植入周期中，比较了1至500 Hz记录的光谱密度和频道。最初，A-SIC设备和标准测量值的带有可比性。然而，在植入后整个16周内，标准测量值显示出体力和功率频谱密度均持续下降，而A-SIC的测量表现出更加稳定的性能。从植入后第6周到研究结束时，标准和A-SIC MEA之间的带能量和光谱密度之间的差异在统计学上是显着的。这些结果支持使用超薄的A-SIC测量来发展慢性，可靠的脑机界面。