腦機接口正快速成為診斷與治療腦部疾病的革命性手段,它通過建立大腦與外部設(shè)備的直接通信,有效地實現(xiàn)了神經(jīng)信息監(jiān)測、精準神經(jīng)調(diào)控以及腦功能修復(fù)等功能。然而,傳統(tǒng)剛性神經(jīng)電極雖導(dǎo)電性強,卻面臨排異反應(yīng)、信號衰減、相對位移等重大挑戰(zhàn)。近年來,水凝膠憑借其類腦組織的機械和化學(xué)特性脫穎而出,有望解決上述傳統(tǒng)電極的局限,成為腦機接口領(lǐng)域極具潛力的候選材料。
圖1 本綜述論文內(nèi)容示意圖,包括水凝膠神經(jīng)電極特性、神經(jīng)信號記錄、神經(jīng)調(diào)節(jié)和腦部疾病治療
腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病由于其復(fù)雜的病理生理機制和有限的治療方法,正成為威脅人類健康的首要全球公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。近年來,腦機接口(BCIs)作為橋梁建立了大腦與外部設(shè)備的直接通信,為解析神經(jīng)環(huán)路調(diào)控機制、治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了新范式。然而,目前腦機接口系統(tǒng)仍然受限于兩大核心瓶頸:首先,難以實現(xiàn)高保真信號采集。硬腦膜、顱骨和頭皮的濾波效應(yīng)導(dǎo)致非侵入式電極檢測腦信號時產(chǎn)生損耗和失真,時空分辨率降低,并且難以滿足單神經(jīng)元毫秒級動作電位的多路神經(jīng)記錄;其次,精確調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)元活動對于開發(fā)高性能腦機接口至關(guān)重要,目前仍無法實現(xiàn)精確刺激、高電極分辨率以及與神經(jīng)元信號的多功能相互作用。
神經(jīng)電極作為腦機接口的核心組件,承擔著神經(jīng)信號的采集與調(diào)控的雙重功能,在腦部疾病的診療中具有重要價值。當前主流的神經(jīng)電極多采用金屬、硅基材料、碳材料及導(dǎo)電聚合物等傳統(tǒng)材料,其剛性特質(zhì)與腦組織(彈性模量1-3 kPa)存在顯著的機械失配(例如,金屬和金屬氧化物的彈性模量>100 GPa),從而導(dǎo)致兩大關(guān)鍵問題:1. 剛性電極植入后引發(fā)神經(jīng)膠質(zhì)細胞在電極表面的大量遷移與包裹,阻礙表面電子傳遞,造成神經(jīng)信號隨時間衰減;2. 電極相對腦組織的微動導(dǎo)致神經(jīng)組織損傷,并誘發(fā)免疫排斥反應(yīng)。此外,金屬電極在光遺傳神經(jīng)調(diào)控中因其窄的能帶隙易產(chǎn)生光電偽影,導(dǎo)致信號噪聲與數(shù)據(jù)失真。近年來雖有研究通過在柔性基底上沉積導(dǎo)電物質(zhì)開發(fā)柔性電極,但仍然無法克服由于模量失配引發(fā)的生物污損、纖維化包裹等不良反應(yīng),嚴重影響人機交互的長期穩(wěn)定性。
圖2. 用于腦機接口的策略性增強型植入式水凝膠電極的特性
圖3 腦神經(jīng)信號記錄示意圖
圖4 腦神經(jīng)調(diào)控示意圖
腦部疾病產(chǎn)生于神經(jīng)回路功能障礙,導(dǎo)致嚴重的認知、運動、情感和感覺障礙。目前對于腦部疾病的臨床治療只能緩解癥狀,而不能實現(xiàn)完全康復(fù),且病情往往會隨時間逐步惡化。神經(jīng)調(diào)控技術(shù)通過產(chǎn)生或抑制單神經(jīng)元動作電位,能夠精確調(diào)控異常的神經(jīng)回路,從而協(xié)助恢復(fù)或加強大腦功能。論文中全面概述了利用神經(jīng)調(diào)控治療腦疾病,包括阿爾茨海默病、帕金森病、癲癇、抑郁癥、腦中風和慢性疼痛的方法,尤其突出水凝膠神經(jīng)電極在這些療法中的作用。此外,論文還就神經(jīng)調(diào)控的替代電極材料進行討論,以創(chuàng)建一個利用神經(jīng)調(diào)控技術(shù)治療腦部疾病的更為系統(tǒng)的框架,激勵這一領(lǐng)域的進一步研究。
綜上,該綜述論文系統(tǒng)梳理了植入式水凝膠電極的研究進展及其對腦機接口技術(shù)發(fā)展的推動作用,重點聚焦植入式水凝膠電極的特性,并深入探討其在神經(jīng)信號記錄與腦疾病神經(jīng)調(diào)控治療中的潛力。全文共分四個部分:首先,解析了植入式水凝膠電極的關(guān)鍵性能;其次,綜述水凝膠電極在采集多尺度腦神經(jīng)信號領(lǐng)域的最新突破;再者,闡述了由水凝膠電極支撐的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)體系;最后,深入剖析了基于神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的疾病治療策略及其神經(jīng)環(huán)路作用機制。
原文鏈接:https://doi.org/10.1039/D4CS01074D
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