根据信号获取的方式，普遍将现有的脑机接口分为侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口，以应对不同的使用场景。侵入式脑机接口需要手术将电子器件植入颅内。而非侵入式脑机接口的实现方式为将器件置于颅外，或者借助于细胞培养技术直接使用不在颅内的脑细胞。根据研究的对象，可以再将非侵入式脑机接口分为在体非侵入式脑机接口和离体非侵入式脑机接口。离体脑机接口兼备了非侵入式脑机接口（接受度高且应用潜力巨大）的优点和侵入式脑机接口（信号准确性和时空分辨率高）的优点。


近年来，以“培养皿中的神经元学会打游戏”为代表的研究引起了对离体双向脑机接口的关注。离体双向脑机接口可以利用体外培养的大脑了解神经动态，认识脑功能，应用大脑生物智能。


离体双向脑机接口的核心器件是微纳电极阵列，因为其可以并行记录多个神经元，提供细胞水平、细胞群体水平和网络水平等多尺度的神经活动信息。微纳电极阵列将纳米材料和微电极阵列结合，以满足与体外神经细胞进行高效即时双向通讯的需求。这是因为，纳米材料具有更高的原子利用效率，能够增加电化学反应面积，提供更多的活性反应位点，且其与生物材料的相互作用能提高生物相容性。基于纳米材料的高性能微纳电极阵列是实现体外脑机交互的重要研究工具。然而，目前缺少对相关器件制造、使用和应用前景的总结归纳。


基于此，近期，来自中国科学院航空航天信息研究所传感器技术国家重点实验室的研究人员于Microsystems&Nanoengineering期刊发表了题为“Nanomaterial-based microelectrode arrays for in vitro bidirectional brain–computer interfaces:a review”的综述性论文。


该综述首先回顾了微电极阵列的设计和制造，并重点总结了纳米材料在电极表面改性上的应用。目前，已有多种纳米材料被应用于微电极阵列的表面改性。纳米材料修饰能够有效增加电极的粗糙度和孔隙率，从而提供更好的电化学活性表面积，并在电子-离子交互速率的限制范围内提供了更好的电荷注入能力。纳米颗粒也能与生物材料实现更紧密的接触，获得更精确的神经信号；也在神经调控中充当纳米级的高效生物电子转化器，这对于双向通讯是相当有利的。

用于微电极阵列表面修饰的纳米材料

基于纳米材料的微电极阵列用于离体双向脑机接口


接着，研究人员总结了解码神经信号的层次化分析方法，介绍了从单细胞水平、细胞群体水平到网络动态水平的分析要点。利用这种双向的脑机接口可以实现多种功能，具有广泛的应用前景。其应用可以大致分为四类，最基本的应用是对离体培养的大脑进行生理研究以阐明基本生物机理。然后到对相关生物机制的运用，从生物调控到生物传感。而神经计算则是对离体大脑能实现感受和控制两个功能的结合，充分利用了离体神经网络具有可塑性的高效低功耗并行处理能力。体外双向脑机接口不仅有助于实现更好的脑-机交互，更有望实现脑-脑交互，让共享大脑成为可能。


最后，从18世纪起，就有科学家用电信号进行与神经细胞之间的通讯。然而这种交互并没能被完全理解。通过微电极阵列可以同时并行地获得细胞级电生理活动信息，具有优越的时空分辨率。通过多层次分析神经电生理信号为解码神经活动提供了依据。同时，利用微电极阵列注入神经调控信息，能够高度可控地设定刺激位置数量、刺激位置、刺激频率、刺激幅度、刺激时间和刺激脉冲序列等参数，便于研究神经调控的功能和揭示双向通讯的底层逻辑。

用于体外神经调控的电刺激范式


总体而言，该综述有利于促进离体双向脑机接口的研究与其在脑科学和人工智能等领域的应用，为未来脑机接口的发展作出了展望。


论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-022-00479-8