鎳鈦諾制成的電極可能是大腦長期植入物的理想組件

讓神經(jīng)元與電子設(shè)備交流一直很困難——難在神經(jīng)元上。植入大腦的剛性金屬電極陣列會刺穿血管并驅(qū)逐支持細(xì)胞，導(dǎo)致身體需要用一道絕緣疤痕來掩蓋陣列，從而阻止了許多輸入信號通過。工程師們現(xiàn)在認(rèn)為，形狀記憶材料可以做得更好，因?yàn)榭梢詫λ鼈冞M(jìn)行編程，讓它們盤繞血管，像藤蔓一樣在神經(jīng)上攀爬。

其中一種鎳鈦合金材料——鎳鈦諾——可以根據(jù)溫度輕松地變成不同的形狀。先將冷卻的鎳鈦諾彎曲到位，然后加熱到臨界溫度，并在該溫度下保持一段時間，該形狀就可被編程為目標(biāo)形狀。此后，即使將合金彎曲成另一個形狀，加熱后也可變回被編程的形狀。

加州大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）杜伊古?庫祖姆（DuyguKuzum）實(shí)驗(yàn)室的研究人員認(rèn)為，鎳鈦諾制成的電極可能是大腦長期植入物的理想組件。今天的常規(guī)做法是將一組針狀微電極陣列壓入大腦組織，令其在大腦組織中與附近的神經(jīng)元相連并記錄信號。這種類型已經(jīng)成功應(yīng)用于腦機(jī)接口，讓人用意念控制機(jī)器。

然而，就像加州大學(xué)圣迭戈分校的研究生趙若宇（RuoyuZhao，音）12月在舊金山IEEE電子設(shè)備大會（IEDM）上向工程師們解釋的那樣，植入過程會撕裂大腦的血管，擠壓星形膠質(zhì)細(xì)胞的支持細(xì)胞，并造成其他損害。作為回應(yīng)，人體會用疤痕組織將電極陣列附近的區(qū)域隔離，“導(dǎo)致植入物周圍出現(xiàn)愚鈍且電不活躍的區(qū)域。”他說。因此，隨著時間的推移，植入物能感知的神經(jīng)元數(shù)量會迅速減少。

庫祖姆和她的研究小組認(rèn)為，如果微電極能夠繞著血管前進(jìn)，身體的反應(yīng)就不會那么大了。方法便是：對植入?yún)^(qū)域進(jìn)行高分辨率的CT掃描，為電極繪制一條安全路徑，然后對微電極進(jìn)行編程，形成它們嵌入大腦時的路徑形狀。

該團(tuán)隊首先制作了一個由16個鎳鈦諾電極組成的電極束，每個電極的直徑只有23微米。（最小的人類神經(jīng)元的直徑約為4微米。）然后，將這些電極安裝在一個模具中，形狀與電極必須通過的大腦模型的路徑形狀相同。在每個電極上加155毫安的電流，持續(xù)10秒，充分加熱以對形狀進(jìn)行編程。

庫祖姆的團(tuán)隊制造了一個注入裝置，用一根直徑210微米的針頭注入一束微電極。他們將這個系統(tǒng)插入到一個3D打印的大鼠大腦模型中進(jìn)行了測試。當(dāng)注射器將電極推入時，用電流加熱電極。這使電極形成了編程形狀，圍繞模型的血管彎曲。

在一項(xiàng)對真實(shí)小鼠大腦的測試中，電極能夠區(qū)分單個神經(jīng)元信號，并使植入部位的損傷最小化。然而，加州大學(xué)圣迭戈分校的團(tuán)隊還未能證明植入物是否能夠在長時間內(nèi)保持比標(biāo)準(zhǔn)微陣列更好的神經(jīng)信號接收能力。庫祖姆說，研究小組未來將做一年的大鼠植入試驗(yàn)。他們近期的目標(biāo)是讓電極變得更細(xì)小，也許比神經(jīng)細(xì)胞體本身還要小。

庫祖姆說，這項(xiàng)技術(shù)離人類應(yīng)用還有很長一段路。但她的研究團(tuán)隊正在與加州大學(xué)圣迭戈分校的外科醫(yī)生一起探索這一想法，將其作為腦深部刺激電極的一種可能的改進(jìn)辦法。腦深部刺激電極現(xiàn)在已用于植入治療帕金森病。

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在中國，由清華大學(xué)和浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊組成的另一個小組正在為神經(jīng)而非大腦尋找一種損傷更小、更容易植入的電極。清華大學(xué)的張迎超對出席IEEE電子設(shè)備大會的工程師們介紹說，他們的項(xiàng)目靈感來自藤蔓爬樹的方式。該小組沒有使用鎳鈦諾，而是使用形狀記憶聚合物。工作原理類似，但這種物質(zhì)可由體溫引發(fā)形狀變化。

張迎超和他的同事們用形狀記憶聚合物構(gòu)建了一個100微米厚的基底，并在上面放置了一層更薄的黃金來傳導(dǎo)神經(jīng)信號。然后，他們對聚合物進(jìn)行編程，將其彎曲成一個緊密的螺旋形。

在一次試驗(yàn)中，他們把這個裝置植入了兔子的迷走神經(jīng)。當(dāng)未卷繞的聚合物感應(yīng)到動物的體溫時，它繞著神經(jīng)迂回前進(jìn)。然后，張迎超和他的同事通過刺激神經(jīng)改變兔子的心率來測試這種聯(lián)系。

曾有多家公司探索過迷走神經(jīng)刺激治療心力衰竭的辦法，不過到目前為止還沒有取得商業(yè)上的成功。但是，目前它被用于治療癲癇和抗藥性抑郁癥，并且正在試驗(yàn)提高中風(fēng)恢復(fù)率，以及治療克羅恩病、偏頭痛和其他疾病。

滑入你大腦和身體的電極可能看起來有點(diǎn)可怕，但至少它們會遵循資深醫(yī)生的格言：首先要沒有傷害。