皮質腦電圖（ECoG）是一種成熟的神經接口技術，通過電極陣列能夠從皮層表面進行大面積神經記錄。皮質腦電圖通常用于癲癇發作定位，但是大面積皮質腦電圖陣列的植入是一種高侵入性手術，需要進行大于植入面積的開顱手術才能部署該裝置。
據麥姆斯咨詢報道，近日，英國劍橋大學（University of Cambridge）、牛津大學（University of Oxford）和意大利博洛尼亞大學（University of Bologna）的研究人員組成的團隊將柔性薄膜電極陣列與軟體機器人概念相結合，實現了一種可通過集成流體驅動器改變形狀的大面積皮質腦電圖裝置。研究表明，具有32個電極的裝置可使用受折紙啟發的折疊技術封裝成壓縮狀態，并通過小鉆孔開顱手術植入，然后在大腦表面展開以覆蓋大面積的皮質。該裝置的植入、展開和記錄功能已在體外和豬體內模型中得到驗證。將形狀驅動集成到神經植入物中，為通過微創手術技術實現大面積神經接口提供了一條臨床可行的途徑。上述研究成果以“Origami-inspired soft fluidic actuation for minimally invasive large-area electrocorticography”為題發表于Nature Communications期刊。
微創皮質腦電圖（MI-ECoG）裝置的設計與制造
MI-ECoG裝置是一種可折疊成小尺寸的大型、柔軟的神經接口，可以通過鉆孔開顱術將其插入到皮質表面的硬膜下。通過在MI-ECoG裝置中心集成一個流體驅動腔室，可對該裝置進行充氣以驅動其原位展開，從而覆蓋較大的皮質區域并實現神經記錄（圖1A）。薄膜制造技術被用于開發MI-ECoG裝置，包括軟光刻和光刻技術，以形成由硅樹脂、聚對二甲苯-C、金和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）制成的裝置（圖1B）。MI-ECoG裝置的完整橫截面結構如圖1C、1D所示。
為了在不進行全開顱手術的情況下將ECoG裝置部署在硬膜下空間，該裝置必須能夠在狹窄的硬膜下空間內展開。圖1E為用于封裝和插入MI-ECoG的定制植入工具的圖示。
圖1 受折紙啟發的MI-ECoG裝置的概述和設計
MI-ECoG裝置的體外力學性能驗證
鑒于MI-ECoG裝置面臨在有限的硬膜下空間內展開的挑戰，需要對其進行體外力學性能驗證。首先，研究人員研究了該裝置所能承受的最大壓力（圖2A）。接著，他們使用水凝膠腦/硬腦膜模型對MI-ECoG裝置的展開進行了體外測試，以確定合適的封裝方法和可靠展開所需的流體壓力。利用受折紙啟發的手風琴形折疊封裝該裝置，流體驅動器可以驅動其在體外模型中完全展開（圖2C、2D）。
圖2 水凝膠腦模中MI-ECoG裝置的體外表征
MI-ECoG裝置的豬體內驗證
最后，研究人員使用50公斤左右的商業飼養豬來測試MI-ECoG裝置在大腦皮層表面的植入和展開情況。開顱手術后，在硬腦膜上開一個6毫米的小切口，然后使用上述定制的插入工具將完全封裝好的MI-ECoG插入皮質表面（圖3A）。將折疊的MI-ECoG插入皮質表面并取出插入工具后，注射器被連接并耦合到壓力傳感器上。該裝置被手動充氣以驅動其在硬膜下空間的展開，如圖3B所示。
圖3 急性豬模型中MI-ECoG裝置的體內植入和展開
成功植入后，完全展開的MI-ECoG被用于記錄皮層腦活動。MI-ECoG被連接到Intan RHS刺激/記錄系統，參考金電極放置在顱骨的皮下。同時，通過傳統開顱手術在麻醉的豬皮層上植入一個16通道臨床級PtIr ECoG，以便與MI-ECoG進行臨床對比。測試結果表明，兩者記錄的皮層的聽覺誘發電位（AEP）差異很小，并且功率密度譜和信噪比（SNR）相似（圖3F、3G和3H）。研究人員還評估了MI-ECoG對腦表面的影響，目視檢查和成像檢查顯示，MI-ECoG展開部位下方沒有發現明顯的形態變化或損傷。
綜上所述，這項研究將軟體機器人技術與生物電子學相結合，展示了一種微創硬膜下大面積皮質腦電波植入物（MI-ECoG）。通過改進流體驅動器設計，研究人員能夠利用小鉆孔開顱手術將受折紙啟發的折疊ECoG引入硬膜下，然后通過形狀驅動實現大面積皮質覆蓋。完成部署后，MI-ECoG將完全展開并覆蓋600平方毫米的皮質區域。MI-ECoG獲得的AEP記錄與使用傳統植入的200微米厚硅PtIr箔ECoG獲得的記錄相當，其功率密度譜和信噪比也相似。這表明MI-ECoG在展開后與皮質表面有良好的接觸，能夠實現與傳統植入陣列相似的電生理性能。
總之，這種微創設計范式有望使ECoG在臨床上得到更廣泛的應用，并開辟生物電子醫學的新途徑和此前由于手術風險未被探索的ECoG新應用。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50597-2
