革命性神经接口：基于血管支架的神经电极

脑机接口（BCI）是一种先进的技术，它在大脑和外部设备之间建立直接通道，使人脑与计算机或其他机械设备之间的高带宽通信和交互。由于BCI能够快速有效地检索脑电图（EEG）信号，并精确定位电刺激的应用，因此为神经系统疾病的临床治疗开辟了新的可能性。事实上，利用BCI的神经治疗方法已经在临床环境中得到了广泛的应用，被证明与传统的治疗方法相比更直观和有效。

BCI技术的关键在于脑电极的设计，因为它们的性能直接影响着脑电图信号采集通道的带宽、延迟等特性。传统的脑电极包括侵入性和非侵入性类型。前者需要在硬脑膜下方或外部手术植入电极，提供更高的信号检测强度和更好的空间分辨率。除了与侵入性电极相关的创伤风险外，还存在一些挑战，如术后炎症、植入位置的限制和生物相容性差。

支架电极已成为脑电极领域的一种很有前途的选择。支架的直径极小，可以进入血管而不影响血液循环。通过固定支架结构上的电极点，可以收集信号或在大脑深处进行电刺激。这提供了一种相对非侵入性的方法来获取和操作神经活动。图1显示了x射线下支架电极的形态和体内状态。

图 1 支架在绵羊上矢状窦（SSS）中的部署的x线图像

1

电极制造

支架的结构对决定电极的性能起着至关重要的作用。初步分析表明，支架需要有相对较小的直径来穿透血管，足够的机械稳定性来防止血管内变形和电极位移，良好的生物相容性以确保植入电极存活，而不会产生组织炎症或血栓形成等不良影响。

1.镍钛合金支架

在目前的研究中，大多数血管内支架电极使用镍钛合金支架。从力学的角度来看，镍钛合金具有超弹性和形状记忆等独特的性能。超弹性使支架在应力下弹性变形，迅速恢复原来的形状以保持性能。形状记忆允许支架在电极插入血管时收缩，降低植入阻力。一旦电极到达指定的位置，支架就会膨胀以支撑血管的内表面，保持稳定的形态，并确保电极的持续功能。

然而，在电极材料的选择中，镍钛合金并不是首选的选择。Wong等研究了镍钛诺、铂（铂）和不锈钢（SS）作为电极材料的性能。如图2所示，结果显示Pt和SS的电导率明显优于NiTi。由于Pt与生物细胞具有优越的生物相容性，比SS得到更广泛的应用。因此，采用了Pt电极与NiTi支架的组合。

图2 (a)三种不同材料的阻抗大小和频率之间的关系

(b)三种不同材料的相位角与频率之间的关系

镍钛支架的一般制造过程包括在基板上依次沉积一层铬和铜。随后，在铜层上涂上一层光刻胶。支架通过光刻工艺成形，并在去除光刻胶的区域镀上一层铜。最后，除去剩余的光刻胶，在铜表面溅射一层NiTi合金，将其与铜分离，得到一个二维支架。该支架通过热退火过程被重塑为一个三维的圆柱形结构，以生成最终的NiTi血管内支架产品。

为了实现电极的信号检测能力，必须在电极和支架之间添加一个非导电的绝缘层。Chluba等人使用磁控溅射沉积、光刻和湿化学蚀刻步骤创建一个集成的血管内支架电极。在Pt电极和NiTi支架之间添加一层氧化层，包括TiOx、TaOx和YSZ，作为绝缘层。

许多研究使用了美敦力公司的自扩张NiTi血管内支架。使用经紫外线固化的生物相容性粘合剂将8-12个Pt电极固定在支架上。用聚酰亚胺绝缘的Pt-W线传输电信号，用激光焊接将Pt-W线连接到Pt电极上。一根直径为410 μm的不锈钢导丝，作为核心棒，便于支架植入血管。Pt-W线缠绕在铁芯棒上，并延伸到外部设备上。形态结构和三维建模如图3所示。

图 3 NiTi支架电极的(a)三维建模 (b) NiTi支架扩张(c)聚合物支架的物理形态

2.性能分析

由于大多数研究使用镍钛合金作为电极支架，本节的性能分析是基于具有NiTi合金框架的血管内支架电极。

3.信号采集

侵入性和非侵入性设备都给实验人员带来了一定的挑战。真正的微创或无创信号检测方法在脑机接口领域至关重要。血管植入电极可能为这个问题提供了一个解决方案。从位置的角度来看，血管内支架电极可以深入到大脑皮层，理论上提供了优越的信号采集性能，并为脑机接口引入了新的硬件方向。然而，这需要验证传统的侵入性硬膜下电极的信号检测能力。

Mahoney等人使用支架电极阵列、硬膜下电极阵列和头皮下电极来记录绵羊的大脑信号。血管内支架电极，由四个安装在镍钛（NiTi）上的铂电极组成支架，经静脉植入横窦。

横窦和支架电极在横窦中的位置示意图如图4所示。频闪灯被放置在距离动物右眼约20厘米处的地方，并被设置为以1.02 Hz的频率闪烁。支架电极和头皮下电极同时记录了5分钟的受刺激和未受刺激的活动。结果表明，支架和头皮电极都能成功地采集数据，每个通道都能捕获清晰的视觉诱发电位。平均而言，头皮下电极的视觉诱发电位幅度比支架电极高69%。然而，支架电极显示出更高的光谱功率，包括在噪声频带内。综合数据显示，头皮下电极的振幅和信噪比较高，可能是由于植入时间短，阻碍了支架电极完全整合到血管壁，导致定位不精确。然而，研究结果证明了使用血管内支架电极采集信号的可行性。

图4 (a)横窦的示意图 (b)x线图像显示导管在左侧横窦内的组装

Opie等人进行了一系列实验，探讨了电极植入时间、位置和取向对支架电极带宽的影响。根据电极在导管内部署时所面对的方向，每隔45°放置一次电极。研究植入时间对带宽的影响，动物在植入两周后测量平均带宽为197.4±42Hz（对应于电极整合到血管壁的时间），20-28周时为194.4±20.8 Hz，信号质量没有明显下降。表1显示了描述剩余带宽随时间变化的数据。图5为长期电极植入前后信号采集的最大带宽的变化。

表 1 最大平均带宽、标准偏差和记录的信号范围，从动物植入支架高达190天

图5 植入运动皮层的电极阵列的最大带宽小于7天（n=4），且超过100天（n=6）

4.电剌激

深层皮层区域的神经刺激已被用于治疗难治性疾病，如抑郁症、癫痫和帕金森病。然而，进入这些皮质区域目前需要开颅或立体定向手术。除手术风险外，侵入性电极的植入可导致胶质细胞局部激活，电极周围星形胶质细胞沉积，导致电极性能下降或下降。血管内支架电极的使用旨在解决这些与开颅手术或有创电极植入相关的问题。

为了减轻与帕金森震颤和癫痫发作相关的症状，进入丘脑枕叶和前核是必要的。Opie等人使用商用的支架来安装铂电极，每个电极都焊接到一根绝缘的铂钨丝上。每个支架在不同的方向上放置6-12个电极，使用内径小于1.1 mm的导管植入血管。通过绵羊的颈静脉植入，在电极整合到血管壁后约4周内进行电刺激。在8只动物中，共放置了67个支架电极来刺激运动皮层。

来自6只动物的39个电极中，诱导了可观察到的和可重复的面部和肢体反应。剩下的28个电极没有引起任何反应（无效反应），包括两只没有观察到任何反应的动物。通过刺激运动皮层的不同区域所引起的反应类型如图6所示。诱导面部反应的电极位于中央沟静脉前平均距离12.8±1.4 mm，阈值电流范围为3-7.5 mA，平均刺激强度为5.3±0.4 mA。刺激嘴唇和面部的电流强度分别为4.5±0.9 mA和5.6±0.4 mA。结果表明，电极取向对电感应没有影响，因为有效的电极在不同方向上都有电刺激。

图6 (a)在嘴唇和面部引起反应的电刺激的位置 (b)诱导颌、颈部和前肢反应的电刺激位置(c)电刺激的位置没有观察到反应的区域产生的诱导反应

迷走神经刺激（VNS）包括通过手术将电极直接放置在迷走神经（VN）上，并已被临床批准用于治疗癫痫、抑郁和促进中风患者的康复。VNS电极的手术植入往往受到VN附近和内部运动神经纤维的激活的限制。

5.机械性能

为了评估市售支架的机械性能，Opie等人在支架通过4个1.10 mm内径导管输送时施加力。支架头被连接到一根直径为0.3 mm的不锈钢棒上，固定在一个记录在10 Hz的力传感器上。将支架在室温下浸泡在生理盐水中，并使用微操作器以200 μm/sec的恒定速度从导管中展开或缩回。这个过程重复了至少200个循环。初始20个循环的张力试验结果如图7所示：前3个张力最高，之后最大力保持相对稳定。从最初的三次运行到最后的三次运行，力的平均减少了0.096±0.037 N。

图7 从1.10 mm内径导管中输送的薄膜支架的输送和收缩力痕迹

7.生物相容性

植入体内的仪器可能会引起诸如免疫反应或组织炎症等问题。考虑到将支架电极插入血管及其进入内部环境，必须仔细考虑这些设备与身体的兼容性。

Oxley等人使用体内脑血管造影测量管腔直径12周，以评估植入物附近静脉的典型情况。在12周内，管腔直径未见减少，也未发生血栓形成。接受该手术的绵羊没有表现出临床后遗症，如进食困难、行走困难或局灶性神经症状。

Opie等人使用显微ct和组织学技术评估了12只在上矢状窦植入支架190天的动物的新生内膜增生。植入两周后，支架部分在血管壁中的比例明显增加。从第2周到第4周，组织学结果从前两周的5.43±2.2%增加到87.8±2.0%。显微ct观察显示，支架到管腔的距离从植入后2-4周时的570±33 μm减少到4-8周时的367±10 μm，此后支架管腔厚度稳定。图9显示了长期电极植入前后血管内管腔面积的变化和支架融入血管壁的比例。

图9 (a)植入前7天和植入后100天管腔面积的变化

(b)植入前7天和植入后100天支架融入血管壁的比例的变化

2

结论

本文综述了血管内支架电极作为脑机接口领域的一个新方向的研究进展。它涵盖了各个方面包括支架材料的类型和制造方法、支架电极的信号采集、电刺激性能，以及其电化学特性、机械稳定性和生物相容性。

血管内支架电极是未来脑机接口研究的一个很有前途的前沿领域，通过其优异的性能和微创植入方法，为当前的挑战提供了有效的解决方案。支架和电极的配置是完善的，支持了许多临床应用，已证明了显著的疗效。由于能见度和相对较低的信号采集带宽，未来需要进一步细化和稳健的实验。这项技术的成熟不仅将对脑-计算机接口领域产生重大影响，而且还将对更广泛的生命传感科学领域产生重大影响。

—— End ——

仅用于学术分享，若侵权请留言，即时删侵！

点击投稿：

欢迎加入脑机接口社区交流群，

探讨脑机接口领域话题，实时跟踪脑机接口前沿。

加微信群：

添加微信:RoseBrain【备注：姓名+行业/专业】。

欢迎来稿

1.欢迎来稿。投稿咨询，请联系微信：RoseBrain

点击投稿：

2.加入社区成为兼职创作者，请联系微信：RoseBrain

一键三连「分享」、「点赞」和「在看」

不错每一条脑机前沿进展 ~