根據(jù)信號(hào)獲取的方式，普遍將現(xiàn)有的腦機(jī)接口分為侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口，以應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)景。侵入式腦機(jī)接口需要手術(shù)將電子器件植入顱內(nèi)。而非侵入式腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)方式為將器件置于顱外，或者借助于細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)直接使用不在顱內(nèi)的腦細(xì)胞。根據(jù)研究的對(duì)象，可以再將非侵入式腦機(jī)接口分為在體非侵入式腦機(jī)接口和離體非侵入式腦機(jī)接口。離體腦機(jī)接口兼?zhèn)淞朔乔秩胧侥X機(jī)接口（接受度高且應(yīng)用潛力巨大）的優(yōu)點(diǎn)和侵入式腦機(jī)接口（信號(hào)準(zhǔn)確性和時(shí)空分辨率高）的優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，以“培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元學(xué)會(huì)打游戲”為代表的研究引起了對(duì)離體雙向腦機(jī)接口的關(guān)注。離體雙向腦機(jī)接口可以利用體外培養(yǎng)的大腦了解神經(jīng)動(dòng)態(tài)，認(rèn)識(shí)腦功能，應(yīng)用大腦生物智能。

離體雙向腦機(jī)接口的核心器件是微納電極陣列，因?yàn)槠淇梢圆⑿杏涗浂鄠€(gè)神經(jīng)元，提供細(xì)胞水平、細(xì)胞群體水平和網(wǎng)絡(luò)水平等多尺度的神經(jīng)活動(dòng)信息。微納電極陣列將納米材料和微電極陣列結(jié)合，以滿足與體外神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行高效即時(shí)雙向通訊的需求。這是因?yàn)椋{米材料具有更高的原子利用效率，能夠增加電化學(xué)反應(yīng)面積，提供更多的活性反應(yīng)位點(diǎn)，且其與生物材料的相互作用能提高生物相容性?；诩{米材料的高性能微納電極陣列是實(shí)現(xiàn)體外腦機(jī)交互的重要研究工具。然而，目前缺少對(duì)相關(guān)器件制造、使用和應(yīng)用前景的總結(jié)歸納。

基于此，近期，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院航空航天信息研究所傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員于Microsystems&Nanoengineering期刊發(fā)表了題為“Nanomaterial-based microelectrode arrays for in vitro bidirectional brain–computer interfaces:a review”的綜述性論文。

該綜述首先回顧了微電極陣列的設(shè)計(jì)和制造，并重點(diǎn)總結(jié)了納米材料在電極表面改性上的應(yīng)用。目前，已有多種納米材料被應(yīng)用于微電極陣列的表面改性。納米材料修飾能夠有效增加電極的粗糙度和孔隙率，從而提供更好的電化學(xué)活性表面積，并在電子-離子交互速率的限制范圍內(nèi)提供了更好的電荷注入能力。納米顆粒也能與生物材料實(shí)現(xiàn)更緊密的接觸，獲得更精確的神經(jīng)信號(hào)；也在神經(jīng)調(diào)控中充當(dāng)納米級(jí)的高效生物電子轉(zhuǎn)化器，這對(duì)于雙向通訊是相當(dāng)有利的。

用于微電極陣列表面修飾的納米材料

基于納米材料的微電極陣列用于離體雙向腦機(jī)接口

接著，研究人員總結(jié)了解碼神經(jīng)信號(hào)的層次化分析方法，介紹了從單細(xì)胞水平、細(xì)胞群體水平到網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)水平的分析要點(diǎn)。利用這種雙向的腦機(jī)接口可以實(shí)現(xiàn)多種功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。其應(yīng)用可以大致分為四類(lèi)，最基本的應(yīng)用是對(duì)離體培養(yǎng)的大腦進(jìn)行生理研究以闡明基本生物機(jī)理。然后到對(duì)相關(guān)生物機(jī)制的運(yùn)用，從生物調(diào)控到生物傳感。而神經(jīng)計(jì)算則是對(duì)離體大腦能實(shí)現(xiàn)感受和控制兩個(gè)功能的結(jié)合，充分利用了離體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可塑性的高效低功耗并行處理能力。體外雙向腦機(jī)接口不僅有助于實(shí)現(xiàn)更好的腦-機(jī)交互，更有望實(shí)現(xiàn)腦-腦交互，讓共享大腦成為可能。

最后，從18世紀(jì)起，就有科學(xué)家用電信號(hào)進(jìn)行與神經(jīng)細(xì)胞之間的通訊。然而這種交互并沒(méi)能被完全理解。通過(guò)微電極陣列可以同時(shí)并行地獲得細(xì)胞級(jí)電生理活動(dòng)信息，具有優(yōu)越的時(shí)空分辨率。通過(guò)多層次分析神經(jīng)電生理信號(hào)為解碼神經(jīng)活動(dòng)提供了依據(jù)。同時(shí)，利用微電極陣列注入神經(jīng)調(diào)控信息，能夠高度可控地設(shè)定刺激位置數(shù)量、刺激位置、刺激頻率、刺激幅度、刺激時(shí)間和刺激脈沖序列等參數(shù)，便于研究神經(jīng)調(diào)控的功能和揭示雙向通訊的底層邏輯。

用于體外神經(jīng)調(diào)控的電刺激范式

總體而言，該綜述有利于促進(jìn)離體雙向腦機(jī)接口的研究與其在腦科學(xué)和人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用，為未來(lái)腦機(jī)接口的發(fā)展作出了展望。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-022-00479-8