柔性微型显示器可以在脑部手术期间实时监测和可视化大脑活动

在脑部手术期间，医生需要绘制大脑功能图，以确定器官的哪些区域控制着关键功能，哪些区域不能切除。目前，神经外科医生在手术过程中与电生理学家团队合作。但该团队及其监控设备位于手术室的不同部分。需要保护的大脑区域和需要手术的大脑区域要么由电生理学家在纸上标记，要么交给外科医生，要么口头传达给外科医生，然后外科医生将无菌纸放在大脑表面以标记这些区域。“两者都是在手术过程中传达关键信息的低效方式，并可能影响其结果，”MGH的Angelique Paulk博士说，他是该技术的合著者和共同发明者。

此外，目前用于监测手术期间大脑活动的电极不能产生详细的细粒度数据。因此，外科医生需要在他们要切除的大脑区域周围保持 5 到 7 毫米（约 1/4 英寸）的缓冲区，称为切除边缘。这意味着它们可能会留下一些有害组织。新设备提供了一定程度的细节，可以将这个缓冲区缩小到不到一毫米。

“我们发明了大脑微型显示器，以精确显示关键的皮层边界，并在一种具有成本效益的设备中指导神经外科手术，从而简化和减少大脑映射程序的时间，”该论文的通讯作者，加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气与计算机工程系教授Shadi Dayeh说。

研究人员将LED安装在Dayeh实验室的另一项创新，即铂纳米棒电极栅（PtNRGrid）之上。自 2019 年以来，Dayeh 的团队使用 PtNRGrids，率先使用数千个通道进行人脑和脊髓映射，以监测大脑神经活动。他们在 2022 年发表在《科学转化医学》上的一系列文章中报告了数十名人类受试者的早期安全性和有效性结果。（新的传感器网格以破纪录的分辨率记录人脑信号 ， 微电极阵列可以实现更安全的脊髓手术）——领先于Neuralink和该领域的其他公司。  

PtNRGrid 还包括穿孔，使医生能够插入探针以电信号刺激大脑，用于测绘和治疗。

它是如何制作的

Dayeh和他的团队利用他们在氮化镓方面的专业知识，开发了一种高效LED的制造技术，这种LED在发光时不会发热，也不会损害脑组织。材料本身生长在称为Qromis基板技术的扁平刚性基板上。加州大学圣地亚哥分校的Dayeh团队能够将数千个LED嵌入柔性薄膜中，并以柔性显示面板的形式将它们从基板中释放出来。然后，研究人员使用喷墨打印将量子点墨水沉积在LED表面，以将其蓝光转换为多种其他颜色。“这使得神经活动模式的视觉表示更加丰富和细致，”Dayeh说。

“这些基于氮化镓的无机micro-LED比有机LED更亮、更节能，可以在可能超过阳光直射亮度的手术灯下保持清晰的能见度。iEEG微型显示器只有几十微米厚，可以每秒在数千个通道上捕获20,000个样本的大脑活动，并以40赫兹的视频速率进行可视化。这使得在关键的手术干预期间能够精确和实时地显示皮质动力学，“第一作者和共同发明人Youngbin Tchoe说，他曾是加州大学圣地亚哥分校Dayeh小组的博士后，现在是蔚山国立科学技术学院的助理教授。

微型显示器尺寸为 5 x 5 平方毫米和 32 x 32 平方毫米，包括 1024 或 2048 个 LED，层压在 PtNRGrid 的背面。除LED外，该设备还包括采集和控制电子设备以及软件驱动程序，可直接从大脑表面分析和预测皮层活动。

“大脑iEEG微显示器可以令人印象深刻地记录大脑的活动，并显示这种活动，供神经外科医生在手术过程中使用。我们希望这种设备最终能够为患者带来更好的临床结果，因为它能够在手术过程中揭示和传达潜在大脑的详细活动，“该研究的共同作者，俄亥俄州立大学的神经外科医生和助理教授Jimmy Yang说。

后续步骤

Dayeh的团队正在努力构建一个微型显示器，该显示器将包括100,000个LED，其分辨率相当于智能手机屏幕。这些显示器中的每个LED都会反映几百个神经元的活动。这些大脑微型显示器的成本仅为高端智能手机的一小部分。

这种大脑微型显示器还将包括一个可折叠的部分。这将允许外科医生在可折叠部分内进行手术，并监控手术的影响，因为微型显示器的另一个展开部分实时显示大脑的状态。

研究人员还在研究该研究的一个局限性。LED传感器和PtNRGrids的距离很近，导致数据中出现轻微的干扰和噪声。该团队计划构建定制的硬件来改变打开LED的脉冲频率，以便更容易地筛选出与大脑电活动无关的信号。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的支持，主要由Dayeh的主任新创新者奖（New Innovator Award No.）支持。NIBIB DP2-EB029757题为“为切除神经外科的功能映射带来光明”。 该研究部分得到了 BRAIN® Initiative NIH 资助 R01NS123655、K99NS119291、UG3NS123723 和 5R01NS109553 的支持。

大脑微型显示器是在加州大学圣地亚哥分校高通研究所的Nano3洁净室设施中制造的，并在加州大学圣地亚哥分校未来外科中心的大型哺乳动物中进行了测试。

脑电图微型显示器，用于可视化大脑表面的神经元活动

Youngbin Tchoe、Tianhai Wu、Hoi Sang U、David M Roth、Dogwood Kin、Jiwan Lee、Patricia Pizarro、Karen J. Tonsfeldt、Keundong Lee、Po Chun Chen、Andrew M. Bourhis、Ian Galton、Eric Halgren、Shadi A. Dayeh：加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系

Dayeh 还在加州大学圣地亚哥分校神经外科任职。

Youngbin Tchoe，现供职于韩国蔚山国立科学技术研究所

David M. Roth，麻醉学系， 加州大学圣地亚哥分校

Daniel R. Cleary，俄勒冈健康与科学大学

Brian Coughlin、Angelique Paulk 和 Sydney Cash，马萨诸塞州总医院神经内科

Jimmy Yang，神经外科， 俄亥俄州立大学

Karen Tonsfeld，加州大学圣地亚哥分校生殖科学与医学中心妇产科和生殖科学系

Eric Halgren，放射学和神经科学系， 加州大学圣地亚哥分校

加州大学圣地亚哥分校和马萨诸塞州总医院已就该设备提交了临时专利申请。Tchoe、Cleary、Paulk、Halgren、Cash 和 Dayeh 拥有 Cortical Sciences Inc 的股权，该公司由该团队共同创立，旨在将 PtNRGrids 商业化。Dayeh 是 MaXentric Technologies 的付费顾问。Cleary 和 Tonsfeld 拥有 Surgical Simulations LLC 的股权。MGH转化研究中心与Neuralink、Paradromics和Synchorn签订了临床研究支持协议，Cash为此提供咨询意见。

 

演示该设备在体内的工作原理