原创U87神经现实收录于合集#神经前研
NeuroHub个
文献：Tchoe,Youngbin,etal.Humanbrainmappingwithmultithousand-channelPtNRGridsresolvesspatiotemporaldynamics.Sciencetranslationalmedicine14.():eabj.
DOI：10./scitranslmed.abj
作者：U87
封面：Tendril*etal
“元宇宙”（Metaverse）概念的大火让脑机接口（Brain-MachineInterfaces，BMIs）步入了公众的眼帘。它结合了来自神经生理学、计算机科学和工程学的概念、方法和途径，致力于在活体大脑和机器之间建立实时的双向联系。尽管关于“直接连接大脑和机器”的理论命题和概念验证实验可以追溯到20世纪60年代初，但关于BMI的研究直到20世纪90年代末才真正开始，当时，这种方法与新的神经生理学方法相结合，用于采样大规模的大脑活动。
可以说，自研究开始，BMI的经典目标便是：
1）揭示和利用大脑分布和动态环路的工作原理和可塑性特性；
2）创造新的疗法以恢复严重残疾人的活动能力和感觉能力。
人脑含有约亿相互连接的神经元，是高度复杂和自适应的生物系统。在《神经科学：探索脑》（Neuroscience:ExploringtheBrain）一书中，作者说到，“我们必须从学习脑细胞如何单独工作开始，然后再研究它们组合在一起是怎样运作的。”
-Tendril*etal-
年，意大利医生路易吉洛伊洛伊奥伽伐尼（AloysiusGalvani）发现死青蛙的腿部肌肉在接受电刺激时会发生颤动，由此拉开了人类研究电生理信号的大幕。二十世纪初，圣地亚哥拉蒙卡哈尔（SantiagoRamonyCajal）制作出第一幅脑内神经元连接环路图像。随后，埃德加阿德里安（EdgarAdrian）使用金属微电极方法记录单个神经元产生的电脉冲，证明单个神经元通过处理和传输电生理信号，作为大脑的基本单位发挥作用，由此神经元学说被确立为大脑功能研究领域的基本理论。借助于组织学、电生理学和生物成像等技术的发展，单一神经元的解析得到蓬勃发展，并主导了20世纪脑组织功能的研究。
但是与卡哈尔分享诺贝尔医学和生理学奖的意大利解剖学家卡米洛高尔基（CamilloGolgi）提出“功能模块”（functionalmodule）理论，他认为脑组织的工作方式应接近心肌组织，是一个合胞体，是或融合或紧密连接的神经元的连续网络。但由于当时卡哈尔在组织学上证明了大多数大脑中的神经元之间存在突触间隙，从解剖学的角度否定了高尔基的观点。即使后来在哺乳动物大脑包括下橄榄核（inferiorolive）、海马体（hippocampus）和新皮质（neocortex）在内的一些关键结构中，发现了通过电突触紧密连接的神经元网络，高尔基的假说依旧未得到重视。
20世纪40年代末，受19世纪初托马斯杨（ThomasYoung）关于颜色编码和20世纪初查尔斯谢灵顿（CharlesSherrington）关于脊髓反射的工作的启发，理论家唐纳德赫布（DonaldHebb）和神经生理学家约翰莉莉（JohnLilly）提出，复杂大脑的真正功能单位是“由大脑皮层和间脑中的细胞组成的分散结构”。他们认为这种结构“能够作为一个封闭系统短暂地发挥作用，向其他此类系统发出指令”。尽管唐纳德赫布的代表作《行为的组织》（TheOrganizationofBehavior）开启了系统神经科学中神经元网络编码的新纪元，然而，令人遗憾的是，这当时并未引发公众重视。
-Tendril*etal-
20世纪80年代重新兴起的神经元网络研究实验中，阿波斯托洛斯乔治普洛斯（ApostolosGeorgopoulos）发现灵长类动物初级运动皮层中的单个神经元对手臂运动的方向有广泛的调谐作用，而且这种神经元群（并不是单个的M1区神经元）必须汇集在一起才能计算出猴子即将移动手臂的方向。由此，赫布关于“大脑功能的神经元网络基础”的观点被推向大众视野。
20世纪90年代，对自由行动的动物进行长期多电极记录的电生理方法的引入，使神经生理学研究进入新的研究阶段。最初，只允许进行持续了几周甚至几个月的12-24个神经元的同步记录。到年中期，同时记录的神经元数量上升到48个，并增加了在不同的皮质下和皮层结构中记录单一神经元的功能。到-年，这种记录基准达到了个神经元，而且在清醒的大鼠和猴子身上同时获得成功。
*译者注
米格尔AL尼古拉斯在他的《脑机接口：从基础科学到神经假肢和神经康复》一文中详细描述了这段历史。DOI:10./physrev..
这样看来，虽然取得了较大进步，但根据经验性规律：多功能的实现需要更高的神经信息含量。因此，仍需要研发可扩展的、大面积的脑机接口。然而传感器阵列需要通过密集的空间和时间采样以在多个皮层区域获得接近单细胞分辨率的数据，这极大地增加了长期植入器件的技术挑战。
目前商业化的微电极阵列面临着高杨氏模量（Youngsmodulus）、不如人意的生物相容性、对细胞的植入伤害等问题，并不适合直接扩展到数千个通道，所以无法满足当前需求。因此，获取低杨氏模量、高通道、高性能的微电极阵列成为研究BMIs的必经之路。
崔永斌（YoungbinTchoe）等人使用铂纳米棒（PtNRGrids）作为电极，聚一氯对二甲苯（paryleneC）作为基底，构建了一个具有高集成、高时空分辨率、低阻抗的微电极阵列。在临床上，PtNRGrids可以用来获取清醒的人类患者执行抓取任务时大脑皮层信号精细、复杂的动态变化。
研究者们通过绘制麻醉大鼠的初级体感皮层来测试PtNRGrids的信号记录能力。大鼠的大脑皮层有着分工明确的体感皮层结构组织（特别是在桶状皮层周围），一系列的感觉皮层柱与胡须一一对应。将含有个通道的PtNRGrid植入大鼠脑中，记录右侧初级体感桶皮层信号。使用微毛细管输送空气，单独刺激对侧的胡须，进而触发大鼠感觉活动。作者观察到胡须刺激的大振幅原始诱发反应，原始波形表现出局部、高振幅。单个刺激的空间定位在伽马波段（30-Hz）得到了最好的体现。一些脑电图和局部场电位研究表明，在各种认知任务中，伽马频率范围（30-80Hz）的信号功率出现增加。尽管大多数对伽马振荡的研究最初强调频率为40Hz，但接受癫痫手术的病人进行的ECoG表明，皮质的功能激活或许与高频信号功率的宽带增加一致，通常是60Hz，并扩展到Hz以上。在动物运动、听觉、视觉、语言和注意力等活动中被监测到的高频伽马活动（HGA，high-gammaactivity，70-Hz）与皮质激活的位置和时间高度相关，同时与尖峰活动有密切联系。利用HGA来绘制大鼠桶状皮层的功能边界与利用化学标记得到结果高度一致，分辨率达到亚毫米级。
图1PtNRGrids绘制大鼠的初级体感皮层
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Tchoeetal.,Sci.Transl.Med.
为了验证PtNRGrids具有高时空分辨率，可以用于捕捉感觉和运动诱发的活动信号。研究者们在同一受试者身上放置相同的PtNRGrid，然后用振动触觉刺激器刺激个别手指，或要求病人进行特定的手部运动。在单个指尖刺激后，观察到HGA明显增强，其中最大的增强出现在初级体感皮层。每个指尖的振动触觉刺激引发了空间上独特的HGA模式，一些通道以不同的幅度调谐所有指尖。在将HGA叠加到植入PtNRGrid的光学图像上后，观察到振动触觉刺激的神经相关的精确空间分布。
崔永斌接下来展示PtNRGrids在手部抓取任务中的高时空分辨能力。与振动触觉刺激一样，我们观察到PtNRGrids在运动过程中、接近运动完成时和运动完成后毫秒内的高度局部HGA。此外，通过PtNRGrids的高分辨率，可以看出S1（somatosensorycortices,躯体感觉皮层和M1（primarysomatomotorcortices，初级运动皮层）大脑皮层在抓取任务中的相互协调。在沿电极阵列一角切割的单线电极的时空快照中（图中的黄色矩形），展示了皮层中特定波段与受试者手部运动的显著相关性。运动开始时，在M1皮层观察到HGA；当手掌开始闭合时，在M1和S1皮层都能看到HGA信号；当运动完成后，HGA只在S1皮层徘徊。
PtNRGrids具有高时空分辨率，可以用于捕捉感觉和运动诱发的活动信号
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Tchoeetal.,Sci.Transl.Med.
最后，作者利用PtNRGrid构建与抓取活动相关的大脑皮质脑波传播图。通过计算PtNRGrids记录的β波（13-30Hz）的相位的空间梯度推断β波传播方向。进一步，作者发现在M1-S1皮层上有明显的传播。在运动的准备阶段，长程β波从S1皮层传播到M1皮层；在运动过程中，β波被抑制；当运动完成后，传播方向发生逆转。
而后，该团队实现了专门用于临床使用的设计改进。如在定制的传感器网格印上供允许外科医生插入探针的孔，以帮助他们直接对特定位置的脑组织进行电刺激。
可以说，现今以高空间和时间分辨率记录大脑皮层活动不再遥远。与百年相比，BMI的相关技术也已有了极大进展。这些研究与应用，无不宣示BMI并非空中楼阁，而是触手可及。但要想真正实现，还需更多时间。
