一种可视化脑表面神经元活动的脑电图微显示器
一种可视化脑表面神经元活动的脑电图微显示器
背景介绍
当前脑外科手术的功能性映射主要依赖于神经外科医生与电生理学家之间的语言交流。这些过程耗时且存在有限的分辨率。此外，用于测量脑活动的电极网格分辨率较低，且难以与脑表面充分贴合。为了更有效地在手术过程中实时监测和显示脑表面神经元活动，本研究提出并开发了一种具有2048个氮化镓（GaN）发光二极管（LED）的脑内电生理学微型显示屏（iEEG microdisplay）。
研究概览
本文由Youngbin Tchoe等人所写，分别隶属于加利福尼亚大学圣地亚哥分校的电子与计算机工程系、生物医学工程系、麻醉学系、神经外科系以及其他科室。该论文发表于2024年4月24日的《Science Translational Medicine》。
研究工作流程
实验设计与方法
本项研究综合了多阶段实验，包括实验动物（鼠和猪）的选择、显示屏的构建和验证，以及各种刺激和病理模式下的电生理信号检测。
显示屏构建
开发的iEEG微型显示屏在超薄的聚酰亚胺层中嵌入2048个GaN μLED。选择GaN μLED的原因在于其高效低功耗，能够在明亮的手术环境下提供高强度光输出并产生最低的热量。显示屏使用了量子点色彩转换技术，使得显示器能够发出多种颜色，丰富了脑活动模式的视觉表现。
构建与验证
为了构建显示屏，将GaN μLED阵列与铂纳米棒（PtNR）网格相结合，并进行了一系列实验用以验证。实验包括检查温度变化及对脑组织的热影响，验证显示屏的电气安全性等。结果显示，在操作过程中显示屏保持较稳定的温度，对脑组织无显著损害。
实验结果
功能皮层边界的检测
通过鼠与猪模型，本研究利用不同颜色的LED在手术场所实时显示功能皮层边界，特别是运动皮层（M1）和体感皮层（S1）。
个体皮层柱的识别
通过局部感觉映射，研究团队分别对猪的脸部和肢体进行电刺激和空气扑打，成功实时显示局部高伽马响应（HGA）。这些实验表明iEEG微型显示屏具备显示皮层柱和对应脑区域活动的能力。
电刺激响应显示
通过双极探头和立体电生理探针对猪的脑进行深度电刺激，显示屏成功实时显示电刺激响应的电位分布图。
病理活动的动态监测
利用不同神经毒素诱导的癫痫样活动（如Bicuculline和4-aminopyridine），显示屏能够显示病理波动态，实时监测癫痫发作的发作和传播。
结论及意义
本研究展示了iEEG微型显示屏在实时显示脑皮层活动中的潜力，能够显著提高脑外科手术的精度和效率。通过高分辨率的实时视觉反馈，iEEG微型显示屏有望替代现有的脑功能区划定技术，提升脑外科手术的精确度和安全性。
研究亮点
- 提出了新型的实时iEEG微型显示屏技术，提供高分辨率和高度视觉化的大脑皮层活动映射。
- 成功使用GaN μLED与PtNR网格结合，提供多彩视觉表现，实现在手术现场的实时动态监测。
- 在处理病理波动态时显示出高度应用前景，有助于手术过程中精确识别功能性和病理性脑区。
未来应用与展望
本研究的iEEG微型显示屏为未来脑外科手术及神经科学基础研究提供了潜在的技术进步。未来的改进方向包括： - 进一步降低噪音干扰，提高显示质量； - 增加全彩显示能力，进一步增强视觉效果； - 开展在人体应用的测试与验证，确保设备的临床安全性与有效性。
本研究为脑功能区划定和术中神经监测提供了全新的技术手段，显示出广阔的临床与科研应用前景。