實驗室討論

雙向BCI中的光刺激

光遺傳學已被用於小鼠的雙向BCI,但由於其係有光纖或固定成像和侵入性的特性,不適合自由移動的受試者——這些挑戰可能由光-微ecog混合陣列解決。

在上一篇博文中,我們討論了使用電刺激的雙向BCI的優點以及它們帶來的挑戰。為了克服電刺激帶來的挑戰,光刺激被提出。在這裏,我們將主要關注使用轉基因神經元(光遺傳學)的光學技術,而不是利用神經活動和血流動力學反應之間的相互關係的技術(ex NIRS,激光多普勒血流測量)。

光學技術提供亞毫秒的時間分辨率以及細胞類型的特異性。激光或發光二極管(LED)耦合光纖或微LED陣列是最常用的光學技術。光刺激被認為比電刺激更具體(見下圖),不會像電刺激那樣產生任何刺激偽影。除了刺激,光還可以用來控製和測量神經元活動,實現雙向BCI[1]。

圖1:光刺激比電刺激更具體,也可以激活相鄰的神經元。[2]

這裏的基本思想是利用光與轉基因神經元相互作用,被稱為光遺傳學。例如,綠色熒光蛋白可以與其他蛋白質結合,使其對神經元細胞內鈣產生反應,使其在激活時發出熒光。使用成像傳感器,神經元群的活動就可以被監測。對於刺激,可以對神經元進行基因修飾,使其表達對不同波長的光敏感的離子通道,或打開或關閉,從而產生神經元的興奮或抑製。如下圖所示,通道視紫紅質-2 (ChR2),一個陽離子通道,當暴露在藍光(~470 nm)下時打開,允許Na+離子進入細胞。另一方麵,當暴露在黃光(~580 nm)下,一個氯離子泵被激活,使Cl-離子進入細胞的法老納氏單胞菌(NpHR)。在圖2c中,我們可以看到,當藍光閃爍時,神經元被激活,而黃色條表示由於黃色光照射而失活。

圖2:基因修飾神經元上表達的通道對不同波長光的反應。[2]

Prsa等人開發了一種全光雙向BCI,對小鼠[3]的初級運動皮層(M1)中表達基因編碼鈣(Ca)指示物的神經元進行寬視場雙光子群體成像,同時激活初級體感皮層(S1)中表達光遺傳執行器的神經元。然而,光學技術不適合在自由活動的受試者中實施慢性雙向BCI,主要是由於係繩光纖或固定成像係統,其尺寸為[4],且具有侵入性。

混合方法

最近,一種光-微ecog陣列[4]被提出,通過結合光學和電氣技術作為雙向神經接口的混合方法(見圖3)。該陣列由透明硬膜外電極(直徑200微米)和用於神經刺激的嵌入式LED組成,封裝在對二甲苯- c材料內(為了生物相容性)。在[4]中,該陣列被植入大鼠的視覺皮層,結果顯示光學LED刺激可以刺激更深的大腦區域(600微米深度)。此外,雙向界麵顯示短期穩定性,提示慢性種植的可能性。

圖3:結合光電技術的混合方法[4]。

由於硬膜外植入的LED陣列直接與腦組織相連,因此這種設置的主要問題之一可能是發熱。在本研究中,我們觀察到隨著輸入電壓和激活時間的增加,LED產生了顯著的熱量。例如,當輸入電壓為3.2 V,持續100 ms時,溫度的最大升幅約為9攝氏度。為了將溫升控製在安全限度內(0.5攝氏度),需要2.7V的短脈衝持續時間(10-100 ms)的輸入電壓。雖然沒有組織損傷的報告,作者建議更係統的調查這方麵。

未來的途徑

作為金屬電極(ECoG)和光刺激的替代品,Vitale等人提出了使用碳納米管纖維電極[5]的雙向神經接口。碳納米管特別有趣,因為它們具有1)高機械強度,2)高導電性,3)生物相容性。

與傳統的碳納米管[6]相比,由碳納米管纖維製成的微電極具有更高的抗生物汙染能力。在體外結果表明,與金屬電極相比,其接觸阻抗要低得多。這使得碳納米管纖維電極非常適合記錄單個神經元。同時,在活的有機體內對帕金森大鼠的研究表明,這些纖維微電極可以有效刺激神經元,類似於金屬電極,但炎症反應減少。此外,活體記錄顯示,約1周後信噪比達到穩定,4周後沒有信號降解,證明了慢性記錄的可能性和適用性。所有這些特性使碳納米管纖維微電極成為一種非常有趣的雙向接口替代方案,克服了目前雙向係統的許多挑戰,包括功率、尺寸、長期穩定性和生物相容性。

參考文獻

Kwon KY, Lee HM, Ghovanloo M, Weber A, Li W(2014)用於光遺傳學的集成微led的無線傾斜光極陣列。見:2014年IEEE第27屆微電子機械係統國際會議。IEEE,頁813 - 816

Zhang, Feng等,“斷路器:用於探測神經信號和係統的光學技術。”自然評論神經科學8.8(2007):577-581。

[3] Prsa, Mario, Gregorio L. Galiñanes,和Daniel Huber。“運動皮層神經元操作性條件反射過程中人工感覺反饋的快速整合。”神經元93.4(2017):929-939。

[4] Kwon, Ki Yong,等。“光-μECoG陣列:用於光遺傳學的透明μECoG電極陣列和集成led的混合神經接口。”IEEE生物醫學電路與係統彙刊7.5(2013): 593 - 600。

[5] Vitale, Flavia,等,“用雙向軟碳納米管纖維微電極進行神經刺激和記錄。”ACS nano9.4(2015): 4465 - 4474。

Harreither, Wolfgang, et al.“碳納米管纖維微電極對多巴胺汙染表現出更高的抵抗力。”分析化學85.15(2013): 7447 - 7453。

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