[发明专利]一种植入式可延展多模式记录与光刺激脑机接口器件

说明书

本发明公开了一种植入式可延展多模式记录与光刺激脑机接口器件，包括深层刺入电极部分和表层平面电极部分。深层刺入电极部分包括深层记录电极点和封装在弹性透明硅胶内的微型LED芯片，表层平面电极部分包含皮层记录电极点。微型LED芯片发光工作，激活神经元进行电位发放，通过皮层记录电极点采集大脑皮层电信号，同时深层记录电极点采集单个神经元脉冲信号；大脑皮层电信号和单个神经元脉冲信号同时传输到接口端。该器件具有深脑光刺激和同步多空间尺度神经信号监测能力，拥有多空间尺度神经信号监测能力，同时使用统一接口端，有效提高了系统集成度和长期埋植可靠性。

技术领域

本发明属于生物医电技术领域，具体涉及一种脑机接口器件。

背景技术

近年来，光遗传学为神经环路研究带来了革命性影响，与电刺激、药物刺激等神经调控手段相比，光刺激具有毫秒级时间响应精度，可选择性调控特定类型神经元，通过结合电生理记录形成闭环系统，能够精确探究特定神经回路与大脑功能之间的因果关系。相比于光纤和光波导等光传递形式，微型LED芯片尺寸微小且功耗低，适合原位集成提供高分辨率光刺激。针对脑组织极其柔软的特点，器件植入时和植入后容易引起组织机械创伤或炎症反应，开发柔软可拉伸材料器件可有效解决这一问题。

在电生理记录功能方面，直接刺入脑组织的探针型电极可采集不同深度的单个神经元脉冲信号(spikes)，贴附在大脑皮层的平面型电极可捕捉更大范围、更浅层的神经元群体活动，即大脑皮层电信号(Electrocorticography，ECoG)，两种电极记录信号有很强的相关性，然而鲜有结合两种电极优势，对表层和深层空间尺度的神经活动进行同步监测的器件，而这对于理解单个神经元和大范围大脑网络之间的关系以及与行为之间的关系至关重要。因此，亟需开发拥有皮层和深层双模式神经记录功能，同时集成微型LED芯片的植入式脑机接口器件，为神经科学研究提供全新工具。

经过针对现有技术的检索发现，美国德克萨斯大学阿灵顿分校Cao H，Gu L等人在IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2012,60(1):225-229撰文“AnIntegratedμLED Optrode for Optogenetic Stimulation and Electrical Recording”，基于125微米厚的聚酰亚胺(PI)柔性衬底制备刺入式探针，集成了单个LED芯片和3个记录微电极；美国伊利诺伊香槟分校Kim T，McCall J G等人在Science,2013,340(6129):211-216撰文“Injectable,cellular-scale optoelectronics with applications forwireless optogenetics”，报道了基于6微米厚的聚酯(PET)柔性衬底制备刺入式探针，集成了4个LED芯片和单个记录微电极；美国卡内基梅隆大学Reddy J W，Kimukin I等人在Frontiers in neuroscience,2019,13撰文“High Density,Double-Sided,FlexibleOptoelectronic Neural Probes With EmbeddedμLEDs”，基于10微米厚的聚对二甲苯(Parylene)柔性衬底制备刺入式探针，单根探针原位集成了不少于22个LED芯片和41个记录微电极。可见，目前绝大多数基于柔性衬底集成刚性LED芯片的刺入式脑机接口器件，并不具备可延展性能，而该性能对于提高器件生物相容性，减小长期植入免疫排斥反应有重要意义。