人腦與電腦通過連續(xù)高通量的信息交互來實現深度融合是神經工程領域的重要發(fā)展愿景。腦機融合技術不但可以大幅提升運動殘障、精神疾病、感知覺缺失能等多種疾病患者的治療效果,更可以將電子計算機系統(tǒng)中存儲的海量信息以及高速數值計算能力直接傳遞給人腦,從而賦予個人"超能力"。植入式神經電極陣列是發(fā)展寬帶腦機融合智能系統(tǒng)所不可或缺的關鍵界面器件。一方面,植入式電極陣列可以同時保證大范圍和高精度地記錄神經元動作電位的精確發(fā)放時間和波形,為充分抽提神經信息,解讀腦神經網絡的活動奠定堅實基礎。另一方面,借助植入式電極陣列對神經元進行高時空精度地信息寫入,不但可以向腦內直接傳入新信息,也可能改變神經精神疾病(例如帕金森氏癥、癲癇和重度抑郁等)患者的異常神經網絡活動,從而緩解癥狀或治療疾病。電極陣列的微納加工工藝、電極的理化特征及其與神經組織的界面效應是目前腦機接口技術前端研究的重要方向,而納米材料和納米器件等新技術在神經電子界面優(yōu)化方面的重要作用也愈發(fā)明顯。

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【部分圖文】：

圖1在體神經界面與美國國防部高級研究計劃局神經科技項目群的發(fā)展歷程

神經電信號最早由意大利科學家Galvani1采用早期的電極技術記錄到。隨后，Hodgkin和Huxley成功地從0.5–1mm寬的大王烏賊軸突中檢測到神經活動，進而根據這些電信號的記錄發(fā)展出了經典的膜電位理論基礎。1957年，Hubel通過亞微米直徑的鎢絲尖電極成功地從哺乳....

圖2微納加工電極陣列與器件

由于Neuropixel類電極陣列可以同時記錄多個深度的不同腦區(qū)且在每個腦區(qū)都可以記錄大量的神經元，因此可能實現對興奮神經網路空間尺度較好地估計。而NeuroGrid類的電極陣列可以對多個表面腦區(qū)的功能進行定位。因此結合這兩類電極陣列可以實現廣度和深度同時兼顧的神經信號采集45....

圖3神經記錄與刺激的界面納米材料與應用

鑒于半導體納米器件的加工精度、生物相容性和靈活的物理性質，這些器件可能用于開發(fā)下一代神經界面56。由于納米場效應管尺寸可以加工到10nm甚至更小，并且其記錄性能不受電極阻抗影響，因此在微納神經器件方向具有很大的潛力57。由于神經信號調控或消耗納米場效應管溝道中的電子能力遠強于對....

圖4用于無線神經界面的納米神經元器件

同時，一些納米顆粒類的材料也有潛力成為無線記錄神經活動乃至細胞器活動的元器件。靜息狀態(tài)下，神經元膜電位為-70mV左右，當有興奮性輸入時，可能會產生幾毫伏的閾下波動或者120mV左右的動作電位。但該電位在細胞膜上面能產生的電場強度由于膜厚度可以變得非常強，因此，電場強度響....

本文編號：3965144