根據信號獲取的方式，普遍將現有的腦機接口分為侵入式腦機接口和非侵入式腦機接口，以應對不同的使用場(chǎng)景。侵入式腦機接口需要手術(shù)將電子器件植入顱內。而非侵入式腦機接口的實(shí)現方式為將器件置于顱外，或者借助于細胞培養技術(shù)直接使用不在顱內的腦細胞。根據研究的對象，可以再將非侵入式腦機接口分為在體非侵入式腦機接口和離體非侵入式腦機接口。離體腦機接口兼備了非侵入式腦機接口（接受度高且應用潛力巨大）的優(yōu)點(diǎn)和侵入式腦機接口（信號準確性和時(shí)空分辨率高）的優(yōu)點(diǎn)。

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

離體雙向腦機接口的核心器件是微納電極陣列，因為其可以并行記錄多個(gè)神經(jīng)元，提供細胞水平、細胞群體水平和網(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合，以滿(mǎn)足與體外神經(jīng)細胞進(jìn)行高效即時(shí)雙向通訊的需求。這是因為，納米材料具有更高的原子利用效率，能夠增加電化學(xué)反應面積，提供更多的活性反應位點(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)現體外腦機交互的重要研究工具。然而，目前缺少對相關(guān)器件制造、使用和應用前景的總結歸納。

基于此，近期，來(lái)自中國科學(xué)院航空航天信息研究所傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的研究人員于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計和制造，并重點(diǎn)總結了納米材料在電極表面改性上的應用。目前，已有多種納米材料被應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)現更緊密的接觸，獲得更精確的神經(jīng)信號；也在神經(jīng)調控中充當納米級的高效生物電子轉化器，這對于雙向通訊是相當有利的。

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接口

接著(zhù)，研究人員總結了解碼神經(jīng)信號的層次化分析方法，介紹了從單細胞水平、細胞群體水平到網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)水平的分析要點(diǎn)。利用這種雙向的腦機接口可以實(shí)現多種功能，具有廣泛的應用前景。其應用可以大致分為四類(lèi)，最基本的應用是對離體培養的大腦進(jìn)行生理研究以闡明基本生物機理。然后到對相關(guān)生物機制的運用，從生物調控到生物傳感。而神經(jīng)計算則是對離體大腦能實(shí)現感受和控制兩個(gè)功能的結合，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。體外雙向腦機接口不僅有助于實(shí)現更好的腦-機交互，更有望實(shí)現腦-腦交互，讓共享大腦成為可能。

最后，從18世紀起，就有科學(xué)家用電信號進(jìn)行與神經(jīng)細胞之間的通訊。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)并行地獲得細胞級電生理活動(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)電生理信號為解碼神經(jīng)活動(dòng)提供了依據。同時(shí)，利用微電極陣列注入神經(jīng)調控信息，能夠高度可控地設定刺激位置數量、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，便于研究神經(jīng)調控的功能和揭示雙向通訊的底層邏輯。

用于體外神經(jīng)調控的電刺激范式

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

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