文摘gydF4y2Ba
可移植装置设计的关键在于冷凝的诊断和治疗方法的效果在一个单一的工具。结合电生理学和光学的集成模式,一个透明的神经接口缓解传统金属微电极的挑战。综述、多通道遥感和刺激功能的最近的研究解决。接下来,出现的问题,结合使用功能的传统金属时,不透明的电极阵列在光学模式——(1)光电工件,(2)光学图像阻塞,和(3)光传输效率。然后,介绍推进材料透明候选人神经接口遵循最新的研究。gydF4y2Ba
介绍gydF4y2Ba
灵活的神经植入系统提供亲密的和直观的界面用软神经组织作为强大的工具来识别复杂的神经回路诊断和治疗神经系统疾病gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba。此外,最近的努力同时集成多个模式与一个活跃的录音和驱动系统的潜在利益gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba,gydF4y2Ba6克ydF4y2Ba,gydF4y2Ba7 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba。特别是,电生理和光学方法的混合神经植入物最大化两种方法的分辨率的合作,同时补偿每种方法的弱点gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba。然而,在传统的设备设计,可能相互冲突的两种方法在数据采集的过程中,如电生理读数、荧光细胞成像,或大脑的结构动力学gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba。例如,当光学成像,用来理解大脑的结构和功能性质,伴随着不透明电极,有很大的困难在分析光激活信号由于视觉模糊细胞gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba。即使光遗传学应用于治疗神经退行性疾病,如帕金森病、癫痫、或抑郁,是应用于植入式设备,严重的电生理信号污染由于光电工件发生如果光学透明度是没有保证的gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba。透明植入微电极阵列(量)与微不足道的差异可以同时获得高分辨率电生理信号性能与传统电极同时减轻光学形态的根本问题gydF4y2Ba22gydF4y2Ba,gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba。与基于金属的不透明量、透明电极消除多通道系统的缺点,它们可以用来测量电信号实时从大脑没有光学干涉通过材料和结构控制。透明,植入式电极用碳基材料制作的gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba导电聚合物,gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,金属纳米线gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,主要是利用灵活的电子产品。此外,透明电极的几何设计可以获得材料的电极。例如,在不透明的金属的情况下,可以获得光学透明的形成是因为或多孔结构的活性材料,同时也保持这样的电特性的传统金属薄膜gydF4y2Ba35gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba。此外,为了克服的困难获得高导电性和光学透过率,最近的研究重点是克服缺点通过混合两种或两种以上的材料gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba39gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba显示了本文的概述图。综述、电生理学/光学诊断和治疗方法进行了讨论,并介绍了最新研究将这两种方法。接下来,传统的不透明的植入式电极阵列时出现的问题,应用于光遗传学和光学imaging-photoelectric工件,光学图像阻塞,和更少的光传输的情况下。最后,制作透明电极的方法,可以解决这些问题提出了细分成两类:从材料的角度和结构的观点。至于制造透明的神经电极材料的方法,介绍候选人本质上透明的材料,如石墨烯、碳纳米管(CNT),导电水凝胶、氧化物、导电聚合物,除了最新的研究进行了讨论。最后,介绍研究应用于生物医学工程检查透明电极通过一个特定的结构。本文结果显示透明的重要性植入式设备对生物医学工程和医学应用程序作为未来的下一代多通道系统的研究。gydF4y2Ba
示意图说明的问题与透明的神经接口。(1)多通道遥感和刺激的重要性,不透明的电极(2)挑战,(3)透明的神经接口设计方法。gydF4y2Ba
电气和光学模式gydF4y2Ba
最近,植入式神经装置,可以识别复杂的神经回路和诊断和治疗神经退行性疾病都已经被广泛地研究过了gydF4y2Ba40gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba。其中,电生理学方法是一个代表性的方法分析neuro-dynamics和神经系统紊乱gydF4y2Ba43gydF4y2Ba,gydF4y2Ba44gydF4y2Ba。电生理记录植入装置的最大优势是它的展品高时间分辨率,因为它可以利用实时测量生物信号gydF4y2Ba45gydF4y2Ba。这个属性便于病理诊断由于其潜在的复杂的信号传输分析,甚至从一个神经元gydF4y2Ba46gydF4y2Ba。然而,这些方法将设备插入大脑和其他器官的空间有限,因为他们可以只在植入网站操作。从电生理角度看,空间分辨率的变化很大程度上取决于电极的大小和间距测量神经活动。尤其是电生理传感的大小网站是一个显著的性能和灵敏度的重要因素神经接口。例如,尽管它有一个优势,能够测量单个神经元的活动在距离小记录网站(< 1000微米gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba),这是不可避免的从信号质量退化由于电化学阻抗增加。因此,高空间分辨率的电生理学记录电极的大小密集分布在一个组织应该尽可能减少增加选择性维持一个低阻抗值gydF4y2Ba41gydF4y2Ba。换句话说,没有空的设备测量站点密集电极植入在同一地区具有较高的空间分辨率。在被动的情况下每一导电电极阵列组成的一个通道互连,密集排列记录频道困难是由于布线空间电荷信号传输。这是原因,空间分辨率的电生理学方法是低于光学方法gydF4y2Ba47gydF4y2Ba。为了克服这一弱点,如无花果所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,设备由高密度、多通道电极阵列被彻底研究gydF4y2Ba48gydF4y2Ba,gydF4y2Ba49gydF4y2Ba。然而,它并非完全不受空间约束和光学方法相比,如磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)或正电子发射断层扫描(PET),结构分析大脑或靶器官。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba高密度有源电极阵列对大脑电生理映射(左)和一个高密度,主动矩阵对脑深部神经探针记录(右)。gydF4y2BabgydF4y2Ba经颅CagydF4y2Ba2 +gydF4y2Ba瞬态成像从视觉flash的反应麻醉老鼠(左)和总血红蛋白后的小鼠皮层成像hind-paw刺激(右)。gydF4y2BacgydF4y2Ba石墨烯光纤神经电极的电刺激丘脑核(左)和血管内支架的焦电刺激羊运动皮层(右)。gydF4y2BadgydF4y2Ba柔软,完全植入式光电系统光伏隔核的刺激(左)和ultrasoft-hydrogel光纤光遗传学刺激(右)。gydF4y2BaegydF4y2Ba可伸缩electrocorticography (ECoG)阵列同步电生理记录光遗传学的刺激。gydF4y2BafgydF4y2Ba双光子荧光成像的GcaMP6f-labeled神经元SNAP25-GCaMP6f鼠标(左)和相应的每一个细胞的钙瞬变彩色圆圈从成像和ECoG信号电极(右)。gydF4y2BaggydF4y2Ba三维multi-shank探针同时电形态,光学形态和药物输送。的放大图像设备提出了光波导(左)。连接的前体细胞区域第二体区域的三维结构说明了multi-shank探测器(右)。从裁判小组与许可转载。gydF4y2Ba48gydF4y2Ba,gydF4y2Ba49gydF4y2BaAAAS(左)和施普林格自然(右)。面板b转载ref的权限。gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,gydF4y2Ba51gydF4y2Ba,施普林格自然(左)和爱思唯尔(右)。面板c转载ref的权限。gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba78年gydF4y2Ba,施普林格自然。面板gydF4y2BadgydF4y2Ba转载来自裁判的权限。gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba,施普林格自然(左)和威利(右)。从裁判小组e和f转载权限。gydF4y2Ba85年gydF4y2Ba威利。从裁判小组g转载权限。gydF4y2Ba86年gydF4y2Ba,施普林格自然。gydF4y2Ba
除了上面提到的脑结构成像方法,几个光学方法在细胞的基础上可以观察到大脑活动gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,gydF4y2Ba51gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba)。光学成像方法主要分为使用荧光分子选择性neuro-dynamics识别方法gydF4y2Ba52gydF4y2Ba,gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,gydF4y2Ba54gydF4y2Ba,gydF4y2Ba55gydF4y2Ba电压特异性染色,和方法分析内在散射和含氧冷凝大脑组织的变化,如光学相干断层扫描(OCT)gydF4y2Ba56gydF4y2Ba,gydF4y2Ba57gydF4y2Ba和扩散光学层析成像(DOT)gydF4y2Ba58gydF4y2Ba,gydF4y2Ba59gydF4y2Ba。使用光记录的一个优势是,它显示了一个更好的空间分辨率与电生理学方法,因为没有空间可以观察到所需的网站广泛破坏植入网站。电压敏感染料成像是一种测量方法使用神经活动分子,可以修改从神经回路电荷成荧光发射光。因为这方法只提供近两个维度大脑的表面活性,很难看到脑深部的活动相对于电生理学通过渗透探测器gydF4y2Ba60gydF4y2Ba,gydF4y2Ba61年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba。然而,这种方法是特别重要的,当神经活动在许多细胞或多个站点同时发生,如在神经或大脑。也有利时观察细胞电生理记录太窄或细胞容易损坏。特别是钙瞬态荧光的神经元或HbT成像,这是一个方法测量血红蛋白氧饱和度的变化,代表方法研究神经元的空间活动的人群gydF4y2Ba63年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba64年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba65年gydF4y2Ba。这些方法展示优秀的3 - 10 ms的时间分辨率取决于组织染色法和显微镜的分辨率,但是他们需要集成与近实时电生理记录方法(~ 1 ms)临床应用功能gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
“治疗”的方法超出了简单的诊断神经活动也是很重要的植入设备的功能。有几种方法可以调节大脑神经活动,包括电刺激gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,光刺激gydF4y2Ba69年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba70年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba71年gydF4y2Ba,药gydF4y2Ba72年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba74年gydF4y2Ba,磁刺激gydF4y2Ba75年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba76年gydF4y2Ba。在电生理治疗中,最具代表性的方法是电刺激,调节神经元活动的过程和射击模式通过电流或电压一个导电微电极插入身体gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba78年gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba)。电刺激已经广泛使用几十年来临床疗效肯定。然而,这是有限的本地刺激特定区域是不可能由于邻近神经元的不受欢迎的激发gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba80年gydF4y2Ba。为了克服这个问题,optogenetic刺激,可以精确地控制目标神经元的神经活动通过光经过严谨的研究gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba)。光刺激神经元展品良好的选择性,因为它变化neuro-dynamics通过附加光敏蛋白质,如通道视紫红质(ChR2)或光环视紫红质(人力资源),然后应用一个特定波长的光。这种方法允许多才多艺,细胞特定类型光学控制细胞活动的各种细胞,电路和大脑结构的电刺激。gydF4y2Ba
多通道植入式装置是一种神经义肢,可以作为一个单独的应用工具,集成了各种方法记录上述神经活动和治疗疾病。神经电极阵列电生理学主要是植入的划分根据网站brain-electrocorticography (ECoG)和渗透探测器。特别是,ECoG的优势捕捉癫痫或神经性障碍的神经活动比穿透更广泛的调查。由于ECoG的方法测量集成活动(场势)的数千到数百万神经细胞,ECoG的信号已经成为一个重要线索病理诊断gydF4y2Ba83年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba84年gydF4y2Ba。电生理学的混合动力系统和光学方法最大化每个方法的优点和补充了每个方法的缺点。图gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba的一项研究显示了设备配置双光子成像和钙electrocorticography同时进行gydF4y2Ba85年gydF4y2Ba。荧光成像技术的一个大的视野分析了神经元活动更直观地与一个电信号记录从有限的测量电极(图。gydF4y2Ba2 fgydF4y2Ba)。然而,阴影记录电极的光学图像暗示并不是完全免费的从光学不透明的电极阵列的阻塞。此外,缺乏时间的采样率和不准确的荧光变化,成像方法存在的主要问题,可以解决ECoG录音。同样,已经几次设计的设备之间的桥梁optogenetic和电生理记录。举个例子,有一个multi-shank探针,可以用来诊断神经传播传播通过光刺激电生理动作电位分析gydF4y2Ba86年gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba2 ggydF4y2Ba)。这个3 d神经接口确认两个躯体区域通过突触的功能连通性延迟和传输速度的同时分析了神经网络的光学刺激。gydF4y2Ba
不透明电极的挑战gydF4y2Ba
最重要的部分结合电生理学和光学形态,这两种方法的数据不应该污染,应该用自己的设备特征生成诊断或治疗的协同效应。最近的研究表明,基于传统的不透明电极金属,如金、铂、提出了新挑战,边界在电生理学和光学的集成模式。出现在本节中,我们讨论各种问题,从多通道诊断和治疗使用不透明的神经接口:光电工件,光学图像阻塞,透光率效率。此外,我们还将展示如何透明的设备可以缓解这些问题。每一期的概要图所示。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba示意图说明的挑战与集成光学不透明的电极阵列形式。gydF4y2BabgydF4y2Ba轨道电子能级和每个州的密度。gydF4y2BacgydF4y2Ba光电工件从大脑电生理信号后473海里photo-stimulation光纤。gydF4y2BadgydF4y2Ba电生理信号的跟踪面板c。光电工件的刺激。gydF4y2BaegydF4y2Ba光学相干断层扫描(OCT)成像的大脑不透明的铂电极阵列(左)和一个透明的石墨烯电极阵列(右)。gydF4y2BafgydF4y2Ba从大脑皮层血管的图像用罗丹明b标记右旋糖酐通过颅窗的铂电极阵列。gydF4y2BaggydF4y2Ba荧光图像的血管透明石墨烯电极阵列。gydF4y2BahgydF4y2Ba时空对应的电极的电生理学的热图通道的照明波长473纳米的激光直接表面的非盟膜电极(左),和一个非盟nanonetwork电极(右)。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba从optogenetic刺激空间分布式电生理学的潜力。蓝色代表着照明的地方。面板b, c, d转载ref的权限。gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,皇家化学学会的。面板e和g转载ref的权限。gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,施普林格自然。面板f和我从裁判许可转载。gydF4y2Ba90年gydF4y2BaIOP出版。从裁判小组h与许可转载。gydF4y2Ba18gydF4y2Ba威利。gydF4y2Ba
光电工件gydF4y2Ba
在神经科学领域,光电效应通常指的是一种现象,一个潜在的差异发生在一个电极,当金属电极接收光,在电极的表面电流gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba。在诊断neuro-dynamics光,如荧光钙成像,周围的剩余电流对细胞没有明显影响。然而,当光遗传学的电生理信号记录,当前在电极表面造成的光能量的主要来源数据污染和扭曲。光电构件在金属微电极只发生如果它超过一个特定的最低光子能量,称为临界波长,从而发出光电子。因此,阈值频率或光子有足够的精力去释放电子,根据适当的设备材料选择。图gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba原理图的一个电子的轨道能级。这个示意图表明所有固体材料的轨道的特定的能量范围。例如,电子的传导带是指国家无法逃脱其原子或分子的形式自由电荷,电子和价带描述该地区处于能量最低的状态。以来金属的情况下,价带和导带的重叠,几乎没有能带隙,所以电子相对容易变成免费的指控。自从半导体材料有一个小的带隙,电子离域到传导带通过应用一定的热量或光能量。在绝缘体中,电子无法轻易达到传导带少量的热量或光能量,因为它有一个非常大的能带。金属微电极的高概率导致光电工件因为照片激发金属电子明显比其他材料更容易gydF4y2Ba87年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba88年gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba显示了光电电生理信号污染工件。光电激光脉冲刺激造成的构件单元动作电位波形显示类似的倾向。如果电压的振幅显著增加的光照射,很容易认识到,这是一个光源造成的噪音。可以最小化这个问题通过信号滤波和线性回归的跟踪信号,如无花果所示。gydF4y2Ba3 dgydF4y2Ba。然而,对于信号,目前尚不清楚这是噪音引起的光电工件或生物信号从一个实验模型,所以它有很大的影响在电生理结果的解释。为了克服这个问题,光刺激大脑的主要是低频或长上升时间波减少光致工件。这些限制阻挠治疗神经系统疾病的可能性,要求高频光刺激。总之,使光刺激在一个没有干扰的频带宽的工件,必须选择一个电极材料,很难产生光电效应与特殊结构或设计一个设备gydF4y2Ba89年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
光学图像阻塞gydF4y2Ba
另一个问题发生在透明电极用于神经接口组织成像闭塞的电极。大脑成像是一种观察方法激活组织具有高空间分辨率,在不损害细胞通过特定波段的光。除了大脑的结构成像,这种功能成像的最大缺点是获取神经能的信息具有高时间分辨率是很困难的。为了克服这一挑战,一个集成的电生理学方法,确保实时生物信息明显重要。图gydF4y2Ba3 egydF4y2Ba显示了一个金属的OCT图像不透明电极(左)和一个透明电极的OCT图像(右)gydF4y2Ba16gydF4y2Ba。分析电生理信号从大脑,植入式装置表面的组织联系,和不透明电极直接覆盖血管和脑组织的观察。这个问题不仅阻碍信号传播的解释功能组织,如电压特异性染色,也很难观察血管变化和动态活动的神经。使用一个不透明的神经接口的弱点是恶化电极通道密度增加。只在一个被动的设备组成的导电连接,渠道的数量记录电极和电极的大小是极其有限的,因为每个电极的连接数量需要增加比例,如无花果所示。gydF4y2Ba3 fgydF4y2Ba90年gydF4y2Ba。相反,在所有连接的设备,包括电极,是透明的,可以证实没有特异性活动光学障碍(无花果。gydF4y2Ba3 ggydF4y2Ba)gydF4y2Ba28gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
更少的光传输gydF4y2Ba
脑刺激通过光学形态受频率和光照强度的影响gydF4y2Ba91年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba92年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba93年gydF4y2Ba。神经接口,因此,很明显,这是一个中间途径从光明到脑组织,不应干涉光到达神经组织没有明显的能量损失。图gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba显示了一个透明的光传输效率代表光刺激电极的电生理学的分布使用原始的金膜电极和金nanonetworkgydF4y2Ba18gydF4y2Ba。Optogenetic刺激电极表面的正上方,执行,如光强度是相同的,这表明电极阵列的透明度至关影响光的传播。图表的大脑光刺激的颜色映射electrocorticography (ECoG)金膜的微电极阵列显示电极阵列吸收大部分的光,显然证明转基因老鼠的失败刺激。相反,黄金nano-network电极阵列显示相对较高幅度的传播可能来自同一刺激站点周边地区,提议的可能性大大增加了光传输效率相同的材料。另外,如无花果所示。gydF4y2Ba3我gydF4y2Ba之间的刺激网站可以设置电极阵列光照明gydF4y2Ba90年gydF4y2Ba。然而,预期无法获得目标神经元电生理信号的光刺激当神经元的位置坐落在透明电极刺激它完全阻塞。克服上述问题最理想的方法是通过工程设计电极材料和结构,从而建立用户透明的材料。在下一节中,我们将讨论透明电极的制造方法及其最新的研究材料和结构。gydF4y2Ba
透明implants-from材料gydF4y2Ba
本节讨论的电极制造神经接口使用内在的透明材料。透明的神经接口的两个代表性的方法加工利用(1)内在透明材料和(2)不透明材料的结构修改。透明材料的详细介绍候选人提出了表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。透明的神经接口必须确保透明度来减少光致工件,以及电导率测量电信号gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba94年gydF4y2Ba。正常传递神经信号,优秀的电化学电极之间的阻抗传感网站和组织也很重要。此外,跟踪电阻传感站点和经皮之间的连接器成为主导因素在获取高质量的电生理信号。假设相同的电极互连线宽度和长度,碳或聚合物电极比金属布线更不利的电气性能跟踪方面的阻力。因此,在以碳为基础的情况下神经电极阵列,与导电金属互连线主要是代替电子路径更直观,而放弃互连的透明度。聚合物电极阵列,跟踪阻力显著降低通过改变分子结构通过特殊掺杂或治疗后,维护整个设备包括导电路径的透明度gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,gydF4y2Ba95年gydF4y2Ba。因此,高透明度和电导率时应优先考虑选择材料的设计多通道设备。最近,石墨烯由于其优越性能引起了人们广泛的关注与神经接口。超出其优良的导电性,它还具有良好的透明度由于其二维蜂窝状结构。此外,其著名的力学特性,如高强度和高灵活性,也使石墨烯的一种很有前途的材料可靠和健壮的灵活的电子产品。在本节中,详细的属性和相关研究提出了石墨烯。此外,碳纳米管,卷起的石墨烯薄片,导电水凝胶与组织如杨氏模量和透明导电氧化物与低电阻率进行了讨论。gydF4y2Ba
透明石墨烯神经接口gydF4y2Ba
石墨烯,其中一个最有前途的候选人制造透明的神经接口,是一种以碳为基础的二维材料蜂窝格结构安排gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba96年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba97年gydF4y2Ba。碳基材料基本上是黑色烟尘代表低透光率散装的状态。然而,由于二维单层石墨烯的厚度可以忽略不计,这是远小于可见光的波长,理想的二维单层石墨烯显示巨大的可见光透射率超过97%。gydF4y2Ba98年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba99年gydF4y2Ba。此外,石墨烯具有优越的内在光学透明覆盖90%以上的紫外线(UV)和红外(IR)gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2BaOne hundred.gydF4y2Ba。可见光透过率高,这大大减少了光学阻塞,在透明的神经接口是至关重要的。此外,光学透过率高的神经接口材料紫外和红外的光非常有利的optogenetic刺激和photo-induced成像gydF4y2Ba98年gydF4y2Ba。最重要的是它的光学性质,这种二维单层材料表现杰出的机械和化学稳定性,因为强大的spgydF4y2Ba2 gydF4y2Ba碳原子之间的键gydF4y2Ba96年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba97年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba101年gydF4y2Ba。例如,持久的物理特性,如强度42 N mgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba和1.0 TPa的杨氏模量gydF4y2Ba102年gydF4y2Ba。此外,高电迁移特性,石墨烯是优秀的材料灵活或可伸缩的电子产品gydF4y2Ba103年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba104年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba105年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba106年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba107年gydF4y2Ba。在这方面,最近,石墨烯灵活的电极被广泛用作bio-integrated透明的电子产品。gydF4y2Ba
最近的研究本质上使用透明材料利用石墨烯作为透明电极因其杰出的电气、机械和光学性质gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba108年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba109年gydF4y2Ba。尽管石墨烯并不是完全免费的从光电工件,它显示了强大的光学方法的性能比金属电极与光子能量激发的低概率gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba110年gydF4y2Ba。利用其广泛的波长透明、钙成像和电生理信号之间的相似性是验证。图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示了一个示意图说明一个透明的神经接口采用石墨烯。透明电极的石墨烯由于蜂窝格结构在图中我们可以看出gydF4y2Ba24gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba说明钙荧光图像下石墨烯电极在P12小鼠海马切片使用488 nm激发波长。修改的离子浓度,如钾离子和镁离子,bicuculline-methiodide利用活动激增的样本。同时,电生理信号记录电极没有明显的激光工件,并显示在一起,见图。gydF4y2Ba4摄氏度gydF4y2Ba,钙瞬变的细胞数。这意味着荧光瞬态之间存在很强的相关性和电生理信号使用透明石墨烯电极。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba石墨烯透明的神经接口的示意图。石墨烯电极最大化的蜂窝格结构的透明度。gydF4y2BabgydF4y2Ba钙瞬态图像下石墨烯透明电极与488 nm激发波长。六感兴趣的细胞在该地区屈指可数。酒吧规模:50µm。gydF4y2BacgydF4y2Ba电生理信号之间的相关性反映人工诱导interictal-like效果(上)和同时ΔF / F0曲线编号面板b细胞(底部)。所有数据从面板b和c同时观察到。gydF4y2BadgydF4y2Ba荧光图像的GCaMP6f小鼠皮层下透明石墨烯electrocorticography (ECoG)数组。酒吧规模:200µm。gydF4y2BaegydF4y2Ba时空的荧光记录各种电刺激振幅。gydF4y2BafgydF4y2Ba强度的变化与横向位置的阴谋。最大强度的变化被发现在刺激点(1.5至2毫米)。侧卧位轴对应水平的红色线面板gydF4y2BaegydF4y2Ba。gydF4y2BaggydF4y2Ba明亮的光学图像的透明的大脑表面的石墨烯电极阵列。酒吧规模:500µm。gydF4y2BahgydF4y2Ba双光子成像深度1200µm光电工件下最小化石墨烯电极。酒吧规模:100µm。gydF4y2Ba我gydF4y2BaCrosstalk-free检测双光子成像和电生理记录,根据同步optogenetic刺激。面板a, b, c改编自ref。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,施普林格自然有限。面板d, e, f适应裁判的许可。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba美国化学学会。面板g h,改编自ref。gydF4y2Ba109年gydF4y2Ba,施普林格自然有限。gydF4y2Ba
一般来说,石墨烯透明神经接口需要一个高质量的石墨烯的转移过程在subtrate使石墨烯制造的复杂性。此外,光吸收和耗散的衬底网站在光学模式至关重要。最大化的透明电极,C和石墨烯聚对二甲苯透明电极是捏造的。荧光图像使用设备图所示。gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba15gydF4y2Ba。电荷密度限制,但是石墨烯电极特点是基于EIS,简历,失败的台架测试方法。时空响应不同刺激电流的计算范围(大约150μA)验证刺激电流之间的相关性和神经激活表示为荧光瞬态,如无花果所示。gydF4y2Ba4 egydF4y2Ba。空间响应分析也证明了最大激活的细胞发生在刺激的中心(1.5毫米至2毫米),如无花果所示。gydF4y2Ba4 fgydF4y2Ba。gydF4y2Ba
减少光照造成工件的能力是一个透明的神经接口的关键特性。虽然高质量石墨烯产生微不足道的工件,普通石墨烯电极带出意想不到的工件由于缺陷或残留的制造过程。在这方面,石墨烯透明电极与高度最小化工件形成通过改进制造过程。图gydF4y2Ba4 ggydF4y2Ba显示了一个16通道电极的亮视场图像设备没有任何可见的电极gydF4y2Ba109年gydF4y2Ba。除了可见光透过率、高最小化工件允许深双光子成像透明电极下皮质表面以下gydF4y2Ba10gydF4y2Ba。然而,双光子激发激光引发不必要的工件妨碍清晰成像,和1200年µm深度成像的组织下电极成功获得如无花果所示。gydF4y2Ba4 hgydF4y2Ba。双光子成像,optogenetic刺激,和大规模的血流动力学反应成像结合电生理记录的皮质表面没有任何明显的干扰。通过使用这些crosstalk-free电极,同时电生理记录,和双光子成像的皮质表面实现optogenetic刺激期间,如无花果所示。gydF4y2Ba4我gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
其他有前途的透明的植入物gydF4y2Ba
透明的神经接口使用本质上透明材料石墨烯也被广泛研究。碳纳米管(碳纳米管),另一个高导电碳基材料,是更强大的候选人之一。单问卷起的石墨烯片成管的形状,分为单壁问(SWCNT)和多壁问(MWCNT),基于石墨烯的数量gydF4y2Ba104年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba111年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba112年gydF4y2Ba。一个问有金属或半导体性质取决于其手性向量。一般来说,碳纳米管是一种混合的金属和半导体碳纳米管及其理想的分离是由于范德华力景点几乎不可能gydF4y2Ba113年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba114年gydF4y2Ba。因此,碳纳米管的性质是由调整比率决定的。问电极保持通过纳米线电导渗流。这些纳米是因为空虚网络和电极厚度远低于可见光波长使高透光率CNT的电极gydF4y2Ba99年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba115年gydF4y2Ba。尽管碳纳米管被广泛用于制作透明电极,光入射方向应该检查,因为碳纳米管的光学各向异性。因为1 d结构和纳米直径的问,这使得不同的光强度之间的切向和基于其轴平行的方向转变。一般来说,碳纳米管电极的透光率降低随着入射角的增加,所以这样的光学属性应该仔细考虑gydF4y2Ba116年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba117年gydF4y2Ba。有趣的是,在问网络,外部壳层的电导率是有限的,即使石墨烯表数量的增加。因此,随着壳数量的增加,大量的光被吸收,导致更少的透光率在相同的电导率。因此,SWCNTs-based电极进行更大的光学特性相比,热合电极在相同的制备条件gydF4y2Ba99年gydF4y2Ba。此外,其庞大的导电性和流动性使碳纳米管高度适用的材料透明神经接口gydF4y2Ba97年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba107年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba118年gydF4y2Ba。由于碳纳米管可以被分散到各种水溶液,精密卷绕对位制造、伟大的优点在工业制造业,是可能的gydF4y2Ba119年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
此外,容易制造过程的可能性,如为基础的解决方案喷涂,是一个强大的优势而形成transfer-based石墨烯电极的方法gydF4y2Ba120年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba121年gydF4y2Ba。最近的一项研究显示神经高度可伸缩的透明接口模式问电影弹性体。图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示了一个示意图说明设备及其功能gydF4y2Ba27gydF4y2Ba。碳纳米管渗流可伸缩和透明基板设备上可伸缩的电阻抗增量的20% 26%,维持其光学透明度高。同时,微不足道的光致工件被证实与不透明的金电极相比,图的绘制。gydF4y2Ba5 bgydF4y2Ba。传统柔性神经接口很难保持亲密接触复杂的曲线形状的大脑表面。然而,水凝胶电极的可伸缩的属性使成功的电生理信号测量复杂的大脑表面seizure-like猝发的放电。同时,随着工件被最小化,ECoG钙信号和双光子成像之间的关系在发作的放电成功确认,如无花果所示。gydF4y2Ba5度gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba碳纳米管(CNT)透明电极阵列在柔性衬底上。gydF4y2BabgydF4y2Ba最小的光致工件问电极与金电极。gydF4y2BacgydF4y2Ba同时电极记录(上)和钙瞬变问下电极seizure-like事件期间(底部)。双光子图像上冲时间表钙瞬变(右)。比例尺:10µm(右)。gydF4y2BadgydF4y2Ba示意图说明hydrogel-based透明电极的突出特性。gydF4y2BaegydF4y2Bahydrogel-based电极材料的透光率与波长的阴谋。gydF4y2BafgydF4y2BaHydrogel-based和常规电极表面上复杂的猪脑。水凝胶电极性能更好的透明度和保形性。比例尺:10毫米(左),5毫米(右)。gydF4y2BaggydF4y2Ba4×4 Zinc-Oxide-based(氧化锌)透明micro-opto-electrode数组(农业部)。Optogenetic刺激传播通过氧化锌作为波导电极并发出提示。这些发现刺激最小化空间电气和光学模式之间的不匹配。比例尺:1毫米。gydF4y2BahgydF4y2Ba高性能的光刺激运动皮层促使各种身体动作。对于optoelectrode 9,前肢的反应和绘制相应的电子记录。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba电子记录的恐鸟在各种驱动光学刺激给optoelectrode 16。gydF4y2BajgydF4y2Ba透明PEDOT: PSS-EG神经电极阵列同步电生理学与光遗传学。gydF4y2BakgydF4y2Ba473纳米光刺激非盟的电极阵列(顶部)和PEDOT:分别PSS-EG数组(底部)。gydF4y2BalgydF4y2Ba电生理学color-heatmap从光诱发信号响应与传统盟电极阵列(上)和透明PEDOT: PSS-EG电极阵列(底部)。面板a, b, c适应裁判的许可。gydF4y2Ba27gydF4y2Ba美国化学学会。面板d, e, f适应裁判的许可。gydF4y2Ba129年gydF4y2Ba,施普林格自然。面板g, h,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba从裁判转载。gydF4y2Ba144年gydF4y2Ba,施普林格自然。面板j、k和l适应裁判的许可。gydF4y2Ba154年gydF4y2Ba,施普林格自然。gydF4y2Ba
生物医学设备使用水凝胶,亲水聚合物具有相似的柔软组织生活(10 kPa),高度符合复杂的表面由于其柔软的特性。这些属性不仅有利于维护共形接触,而且有效防止组织损害由于杨氏模量不平等gydF4y2Ba104年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba122年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba123年gydF4y2Ba。水凝胶可以有各种各样的电子、光学和机械特性,根据材料相结合。等许多著名的研究已经进行了实现各向异性导电性或湿表面粘附使用水凝胶gydF4y2Ba122年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba124年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba125年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba126年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba127年gydF4y2Ba。其中,导电水凝胶具有高透明度被认为是一个透明的神经活性物质界面制作gydF4y2Ba128年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba129年gydF4y2Ba。例如,聚乙烯醇(PVA)水凝胶可以实现高透明度当PVA粉末与二甲基亚砜(DMSO)在特定的混合比例。在透明的PVA水凝胶的合成,水分子之间的氢键和DMSO和PVA水凝胶的结晶度密切相关gydF4y2Ba130年gydF4y2Ba。更深,晶体体积越大,越不透明的水凝胶,因为它往往会阻碍光的渗透。PVA的氢键中扮演最重要的角色在这个水晶形体。如果PVA水凝胶合成的纯水,PVA分子链之间的氢键形成。然后剩下的水分子的交联PVA分子链的键与-哦,促进z维晶体结构增长,增加晶体体积。因此,减少晶体体积是关键,形成一个高度透明的PVA水凝胶网络结构和水1:2 DMSO履行这个角色。在DMSO溶液的浓度超过40%按重量,DMSO的氧原子与氢分子的水分子形成1 DMSO: 2 HgydF4y2Ba2 gydF4y2BaO的形成,减少PVA分子链之间的氢键和水分子。与此同时,PVA晶体二维生长,较低的体积PVA晶体结构产生高透明度。ion-interfacing透明的神经接口,利用PVA水凝胶的一致性和透明度,已开发。图gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba显示设备的装置示意图和突出特征gydF4y2Ba129年gydF4y2Ba。与其他神经接口,通常是在塑料薄膜,实现水凝胶设备最小化干扰组织液循环使用PVA水凝胶和PDMS相比具有高透水性的塑料薄膜(如聚酰亚胺)gydF4y2Ba131年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba132年gydF4y2Ba。此外,电极记录网站和网站使用分离盐桥(KCl-saturated PVA)实现高透明度,和光传输,根据波长乐队,在图绘制。gydF4y2Ba5 egydF4y2Ba。这个透明ion-interfacing水凝胶设备成功地测量了ECoG猪脑没有光学阻塞的信号。图gydF4y2Ba5 fgydF4y2Ba显示设备的优越的保形性和透明度与传统电极相比复杂的大脑皮层表面的猪脑。gydF4y2Ba
透明导电氧化物(tco)掺杂氧化物化合物包括金属元素与足够的导电性和光学透明度gydF4y2Ba133年gydF4y2Ba。tco的电导率是由于外在的掺杂物和氧空位。如果没有合适的掺杂,这些氧化物通常是绝缘体。一般来说,光学带隙的tco明显宽(> 3 eV)gydF4y2Ba134年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba135年gydF4y2Ba。tco显示近紫外线之间一个非常少量的光吸收范围和近红外(NIR)由于这广泛的光学带隙。然而,快速的透光率水平下降发生在紫外线范围由于强烈的紫外线的能量超过tco的光学带隙。同时,近红外光谱区域的光学特征退化主要是因为等离子体边缘反射。一般来说,光传输窗口tco的电导率互联。这是因为载体密度之间的相关性存在于tco基于Moss-Burstein效应和光吸收速率gydF4y2Ba133年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba135年gydF4y2Ba。氧化铟锡(ITO)是应用最广泛的TCO的透明薄膜制造。它表现出高可见光透过率超过80%,足够的电导率。尽管ITO伟大的光学和电学性质,ITO不大可能被认为是一个透明的神经活性物质界面由于其脆性和穷人制造成本效益gydF4y2Ba97年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba136年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba137年gydF4y2Ba。因此,最近的努力开发替代透明氧化物原料替代ITOgydF4y2Ba136年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba137年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba138年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba139年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba140年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba141年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba142年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba143年gydF4y2Ba。由于缺乏高性能光电多通道探测器、多站点与同步电记录光刺激微尺度时空分辨率并不发达。在普通的透明的神经接口,不可避免的空间不匹配发生电记录和optogenetic刺激点之间。这些不可避免的差异是成功地与微不足道的光电最小化工件使用ITO-coated氧化锌透明神经接口。图gydF4y2Ba5克gydF4y2Ba显示了一个4×4 micro-opto-electrode数组(农业部)传输光功率精确点波导电子记录网站的格式gydF4y2Ba144年gydF4y2Ba。由于发现刺激的能力,一个功能性映射运动皮层的验证。例如,无花果。gydF4y2Ba5 hgydF4y2Ba显示了强烈的光刺激的电测量发射率opto-electrode 9,图中蓝色。同时,前肢对刺激的反应。此外,它被证实,组织应对光刺激的大小随刺激强度。图gydF4y2Ba5我gydF4y2Ba显示了刺激地区扩大随着光照强度的增加,当opto-electrode 16是被操纵的。gydF4y2Ba
导电聚合物中以不同的方式使用植入式设备的机械灵活性高,导致降低机械设备之间的不匹配的风险和软组织由于其较低的杨氏模量,和通用电气性能的变化由于合成方法的多样化gydF4y2Ba145年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba146年gydF4y2Ba。优秀的电气性能的导电聚合物是归因于π-π共轭分子结构分子的单键和双键交替gydF4y2Ba147年gydF4y2Ba。属于这π-conjugated结构离域电子在原子π-π债券,因此,让他们自由电子。导电聚合物有显著不同的电气性能取决于每个材料的氧化和还原状态gydF4y2Ba148年gydF4y2Ba。这是因为π-π债券存在于一个氧化状态代表一个正电荷,和掺杂剂的中和电荷的形式与聚合物的共存阴离子。有前途的导电聚合物表现出优良的导电性已经广泛应用于植入式设备包括聚吡咯(PPy)gydF4y2Ba149年gydF4y2Ba聚苯胺(PANI)gydF4y2Ba150年gydF4y2Ba,PEDOT: PSS(保利(材料间是的运动聚苯乙烯磺酸钠(PSS))。其中,PEDOT: PSS代表内在的光透射率高,有可能有很高的导电性取决于治疗后gydF4y2Ba151年gydF4y2Ba。这些特点主要用作粘合层减少机械金属植入微电极的不匹配,获得较低的电化学阻抗gydF4y2Ba152年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba153年gydF4y2Ba。例如,无花果。gydF4y2Ba5 jgydF4y2Ba显示了一个示意图说明一个透明的植入式电极阵列组成的一个层PEDOT: PSS处理乙二醇gydF4y2Ba154年gydF4y2Ba。设备是高度透明的,包括衬底,这对神经特定设备记录和神经调节结合光遗传学是由最简单的加工制造。盟电极阵列和透明PEDOT: PSS-EG电极阵列植入在正确的转基因小鼠大脑皮层找出多少蓝色激光通过电极传输到大脑(无花果。gydF4y2Ba5 kgydF4y2Ba)。如无花果所示。gydF4y2Ba5 lgydF4y2Ba,传统的非盟电极阵列显示显著降低光诱发电生理潜力由于光学透光率较低,而PEDOT: PSS-EG电极阵列准确传输光激光刺激点。传统上,电镀PEDOT: PSS在金属电极或其他导电电极用于减少神经记录的阻抗gydF4y2Ba152年gydF4y2Ba。然而,电镀的方法PEDOT: PSS有一些复杂生产过程中因为额外的导电层的沉积粘附层是至关重要的。此外,由于内在这个金属层的透明度,PEDOT的沉积厚度:PSS也有限,以确保整个电极阵列的透明度。,通过大幅提高后处理方法对单层PEDOT: PSS对提高其电导率和简单的发射过程,透明电极的制造成本显著降低。gydF4y2Ba
透明implants-from结构gydF4y2Ba
虽然有方法,使用一个本质上的透明材料,如上面介绍的,设计透明量,还有另一个最近的研究趋势,修改现有的材料通过结构设计具有光学透明属性。这种方法的一个显著的优势是,它维护光学透明度同时最小化每个材料的电气性能的损失。在下一节中,最近的研究成各种网状结构和金属纳米线将作为结构设计的两个有前途的候选人。gydF4y2Ba
网格结构化神经接口gydF4y2Ba
网状结构的替代设计透明的金属接口与本质上的不透明的材料。mesh-structured电极的最佳性能在于平衡薄层电阻(RgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba)和透明度gydF4y2Ba155年gydF4y2Ba。两个因素的结构可以修改通过调整各种网格值(宽度、间距、厚度)或的几何模式。薄层电阻的变化取决于几何图案的设计(网格、洞,金字塔,蜂窝,等等),把一个正方形网格作为一个例子,下面的表达式计算Rs可以表示为其中ρ表示特定的阻力而其他人,h(高度),w(宽度)和p(沥青),是网格值。透明度(T)可以从这些网格值预测的前提下,几何设计是一个网格。通过与适当的值代替网格值,表面电阻和透明度的关系可以表示由以下方程gydF4y2Ba35gydF4y2Ba,gydF4y2Ba156年gydF4y2Ba:gydF4y2Ba
所示的表情,更广泛的金属线之间的间距,透明度越高,高电化学阻抗随着不可避免。几项研究设计一个透明意味着使用网状结构使用涂料的方法或结合低阻抗的材料,如导电聚合物或氧化物,金属网格,以避免缺点gydF4y2Ba157年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba158年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba159年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba160年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba161年gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba显示了一个高度透明的导电金属微电极阵列基于网格与ITO (MG)混合gydF4y2Ba162年gydF4y2Ba。由于低阻抗和高透明度的伊藤,将ITO空空间的MG显著增加电极之间的电荷转移和界面区域和目标区域没有透明度。ITO和MG的结合是可能的两种方法,要么通过添加ITO MG的孤岛形式或通过铺设ITO膜下毫克。在混合微电极的情况下基于伊藤岛类型,MG结构桥梁缺口ITO实现高度灵活的混合微电极,在结构上减少机械负载应用到内在脆弱ITO岛屿。这种神经微电极显示高透明度81±1.9%从400年到800年纳米薄层电阻14.1Ω平方减少一半gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba相比原始MG微电极(26.8Ω平方gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)。示威活动的电生理信号测量的转基因小鼠体外刺激时蓝光led(图。gydF4y2Ba6 bgydF4y2Ba)。如信号和optogenetic踱步的心肌细胞表达名为“光(ChR2)同时记录多通道的可行性进行调查。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba透明的微电极阵列基于氧化铟锡(ITO) /金属网格混合(左),金属网格的ITO膜(插图),金属网格的伊藤岛(插图中间),金属网格(嵌入底部),扫描电子显微镜(SEM)图像的伊藤岛有一个金属网格(右)。gydF4y2BabgydF4y2BaLangendorff灌注实验设置记录心脏的电生理信号,同时光遗传学的老鼠(左),并与微电极记录的QRS波群引起的蓝色发光二极管(LED)(右)。gydF4y2BacgydF4y2Ba单个细胞在一个透明的有机电化学晶体管(OECTs)数组(左),共形接触透明OECT转基因鼠皮质表面,刺激蓝色激光(右)。gydF4y2BadgydF4y2Ba与透明和不透明的OECTs体内评价进行,并记录electrocorticography (ECoG)信号与蓝光刺激诱发取决于激励强度。gydF4y2BaegydF4y2Ba说明一个透明的多通道非盟/ PEDOT: PSS双层micro-electrode数组(MEA)。gydF4y2BafgydF4y2Ba显微镜下双层的MEA(上),扫描电镜图像的双分子层nanomesh(底部)。gydF4y2BaggydF4y2Ba同时电生理记录(底部)和双光子成像(右上角)通过一个epicortical双层意味着视觉皮层的老鼠。a和b板从裁判允许转载。gydF4y2Ba162年gydF4y2Ba《美国国家科学院学报》上发表;板c和d从裁判允许转载。gydF4y2Ba167年gydF4y2Ba《美国国家科学院学报》上发表;面板e, f, g从裁判允许转载。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba美国科学促进会。gydF4y2Ba
克服的局限性被动微电极阵列(MEA),这是穷人在记录在大面积高分辨率,积极意味着可以通过连接一个放大器或多路复用器设计被动电极gydF4y2Ba163年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba164年gydF4y2Ba。积极MEA的最大优势是,它能够integratng电极具有更高的可伸缩性和被动阵列相比,可以获得更高的空间分辨率当考虑到面积比。这样的例子是有机电化学晶体管(OECTs),这是由活跃的晶体管阵列通道与有机组件,导电连接gydF4y2Ba45gydF4y2Ba,gydF4y2Ba165年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba166年gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba6摄氏度gydF4y2Ba描绘了一个透明和灵活的OECT使用一个非盟线栅和PEDOT: PSS作为聚对二甲苯衬底活跃的频道gydF4y2Ba167年gydF4y2Ba。通过优化设计的网格宽度和周期性3μm盟网互连,足够的光学透明性和电生理测量富达同时获得。调查的可行性低光照条件下的工件从透明OECT ECoG来自转基因小鼠诱导信号的波长473纳米激光记录(无花果。gydF4y2Ba6摄氏度gydF4y2Ba,对吧)。这么高的透明度导致减少反射光和翻倍photo-response强度比不透明的OECT(无花果。gydF4y2Ba6 dgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
获得更高的空间分辨率和密度的另一种方法是设计小尺寸的单个电极的单神经元gydF4y2Ba86年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba168年gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba6 egydF4y2Ba显示了一个32路盟/ PEDOT: PSS双分子层是基于nanomeshgydF4y2Ba25gydF4y2Ba。最具挑战性的部分减少站点区域神经元水平是很难保持足够低的电化学阻抗录音。解决的挑战,一个专门的双层结构实现了电镀PEDOT: PSS解除盟nano-mesh结构使用polysterene nanosphere作为一个面具。由于基于网格的双层结构,电化学阻抗低于20倍量的石墨烯或ITO具有相同站点区域和适用的光学透明度。图gydF4y2Ba6 fgydF4y2Ba是一种单通道微电极的光学显微镜和SEM图像,显示了人口放置nano-meshes空洞形成。观察在视觉刺激唤起变化,单个神经元钙双光子成像和ECoG记录同时唤醒了老鼠的瞳孔直径(无花果。gydF4y2Ba6克gydF4y2Ba)。神经元动作电位被分为六个级别的频带(α、β、γ、高γ,超高γ,和复合的)。下面记录的电生理活动α乐队,8 - 12赫兹,包含时间信息的CagydF4y2Ba2 +gydF4y2Ba指示器(GCaMP6s)成像,而高频段包含ECoG信息。这个结果强调了这项工作的重要多峰函数的好处。gydF4y2Ba
金属纳米线的神经接口gydF4y2Ba
另一个有吸引力的候选人一个透明的神经接口基于金属是使用金属纳米线(西北)。金属NW结构具有独特的性质在平面金属层的网状结构,如有效表面积,高导电性,光学透明度gydF4y2Ba169年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba170年gydF4y2Ba。由于这些独特的性质,纳米线网络提供了光电子学的应用能力。此外,金属纳米线结构适用于接口直接接触,如皱巴巴的纸巾,因为wire-based施工机械灵活得多比碳或金属氧化物。gydF4y2Ba
透明的神经接口映射ECoG的光学图像信号在2 d基于黄金nanonetwork (Au-NN)是描述在无花果。gydF4y2Ba7一个gydF4y2Ba随机图案组成的非盟与16通道微电极gydF4y2Ba18gydF4y2Ba。制造Au-NN、铬和黄金层热存入一个光敏电阻层。接下来,聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)纳米纤维沉积通过电纺的,nanopatterning作为硬掩模。与公关,非盟蚀刻后与Au-NN微电极的形式完成。设计的一个关键挑战植入式设备用金属NW金属氧化,造成异物反应,阻碍了长期植入gydF4y2Ba171年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba172年gydF4y2Ba。由于无电抗特性,非盟,Au-NN微电极避免金属氧化的缺点。微电极阵列展览81%的透光率和电化学阻抗低33.9 kΩ1 kHz。在金属电极的情况下,不管他们的几何结构、光电光刺激引起的构件往往是不可避免的。光电工件与激发光的强度成比例和金属表面暴露在光的量。因此,理想的条件最小化这个问题是限制光的金属表面的接触部分,保持其电特性。在纳米结构电极的设计,一个相对较高的电化学阻抗的问题就出现了,因为导电路径,电子可以通过移动相比有点有限的电影类型gydF4y2Ba173年gydF4y2Ba。然而,电子发射的光子激发的概率降低的程度,所以它有有利的特征集成光学方法gydF4y2Ba174年gydF4y2Ba。调查是否Au-NN是免费的从光电工件的实际能力设备,同时体内光记录和刺激(473海里),让ChR2-expressed神经元兴奋,评估。设备被植入大脑皮层表面两只老鼠组:野生型和转基因小鼠。记录ECoG信号在光刺激大脑皮层表面(473海里)介绍了无花果。gydF4y2Ba7 b, cgydF4y2Ba。图展示了消除光电工件非盟膜电极的对比,表明其有前途的可行性为一体的电生理学和遗传学。gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba16通道Au-nano网络(NN)的微电极阵列electrocorticography (ECoG)记录。gydF4y2Bab, cgydF4y2Ba体内评价artifact-free ECoG的记录与黄金(Au)电影(不透明)和Au-NN(透明)与光学微电极阵列刺激大脑皮层的野生型gydF4y2BabgydF4y2Ba和转基因类型(B6 Thy1-ChR2-YFP)老鼠gydF4y2BacgydF4y2Ba。gydF4y2BadgydF4y2Ba示意图说明多功能神经界面结合银(Ag) /非盟核壳纳米线(Ag)纳米线(西北)/ Au)与聚乙烯醇(PVA) gel-coated微电极。gydF4y2BaegydF4y2Ba16通道AgNW /非盟微电极形联系大脑皮层包括发光二极管(LED)(左),以及光遗传学体内设置12-channel AgNW /非盟微电极在绒猴的大脑(右)。gydF4y2BafgydF4y2BaECoG信号的3 d图形随着时间的推移,光刺激引起的。gydF4y2BaggydF4y2Ba方案设计的透明ECoG电极阵列基于AgNW铟氧化锌(IZO)。gydF4y2BahgydF4y2Ba可视化的神经元与荧光显微镜和ECoG录音通过AgNW / IZO微电极在氨基甲酸乙酯麻醉的老鼠的大脑皮层。板a, b, c从裁判允许转载。gydF4y2Ba18gydF4y2Ba威利;面板d, e, f从裁判允许转载。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba威利;面板g和h已得到裁判许可。gydF4y2Ba179年gydF4y2Ba,ACS。gydF4y2Ba
为了克服长期植入的挑战方面,可以使用涂料无电抗材料gydF4y2Ba175年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba176年gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba7 dgydF4y2Ba显示了一个例子:一个神经界面接触Ag /非盟核壳纳米线(AgNW / Au)gydF4y2Ba22gydF4y2Ba。透明的水凝胶,聚乙烯醇(PVA),涂层外观微电极的最小损失,降低电化学阻抗,阻止氧化。证明其长期耐久性、可靠性测试是在盐溶液进行的。银/金电极与PVA电化学impedant停留了5个月,而Au-plated电极没有凝胶仍为60天。镀薄盟Ag-NW建立更高的拉伸性和更稳定的电气性能与原始AgNW相比。银/金核壳NWs执行83%的透光率(无花果。gydF4y2Ba7 egydF4y2Ba),1.1 - -3.2Ω电化学阻抗较低的平方gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba。调查能力的神经接口监控ECoG信号,一个病毒载体(AAV5-Syn-Chronos-GFP)注射绒猴的运动皮层和记录ECoG诱发的蓝色激光(473海里)(图gydF4y2Ba7 fgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
透明氧化物可以替代候选人捍卫腐蚀的纳米线。gydF4y2Ba39gydF4y2Ba,gydF4y2Ba177年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba178年gydF4y2Ba无花果。gydF4y2Ba7 ggydF4y2Ba说明了方案设计的透明电极和AgNW IZOgydF4y2Ba179年gydF4y2Ba。AgNW IZO不仅可以防止腐蚀,但也解决了附着力差的问题,AgNW的另一个缺点。多峰函数的光学荧光成像和电子记录大鼠皮层一直显示没有光损失或光电工件(图。gydF4y2Ba7小时gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
前景gydF4y2Ba
要完全理解大脑的确切机制和网络监控(如双光子成像和ECoG)神经活动与空间和时间分辨率高,同时治疗疾病(例如,光刺激和电刺激)高选择性是至关重要的。检测特定的神经元的信号,刺激它,需要一个多通道设备,而不是一个单一的工具,是强调。荧光成像,像上面提到的双光子成像,可以评级较高的空间分辨率,但可以阻碍了电生理信号在时间上。这样的多通道设备最重要的一点是,必须准确地测量光信号和电信号而不相互干扰,协同工作。本文讨论了透明的必要性为诊断和治疗神经接口的大脑和神经系统三类。首先,电生理学方法与光学模式简要介绍神经植入体,讨论最近的研究,综合两种方法。接下来,从本质上的不透明的严峻挑战神经接口,同时介绍了电气和光学模式的透明的神经植入设备的必要性。最后,详细介绍一个透明电极阵列的设计与材料和结构的方法。多峰性透明的神经接口可用于各种应用程序,如疾病的诊断和治疗,打开一个广泛途径下一代神经科学和医学。gydF4y2Ba
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这项工作也承认收到韩国国家研究基金会的支持(批准号。:联盟- 2019 r1a2c2086085 nrf - 2021 r1a4a1031437 nrf - 2018 m3a7b4071109)。gydF4y2Ba
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Y.U.C.,年代。L.L., and J.-H.H. contributed equally to this work. All authors discussed the contents and commented on the manuscript.
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曹,Y.U.,Lim, S.L., Hong, JH.et al。gydF4y2Ba透明的神经植入设备:挑战和进步的全面审查。gydF4y2Banpj Flex电子gydF4y2Ba6克ydF4y2Ba现年53岁的(2022)。https://doi.org/10.1038/s41528 - 022 - 00178 - 4gydF4y2Ba
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