CN101835706B - 使用至少一条纳米线的神经装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括传输和接收电信号的导线的神经装置。更具体地说，本发明涉及一种包括导线的神经装置的结构，所述导线有效获得在神经纤维中发展的电信号并将电刺激传输到所述神经纤维。根据本发明的神经装置连接到处理从神经纤维检测到的电信号的处理模块，并且通过纳米线将神经装置插入到神经纤维中以从神经纤维获得电信号，或者将神经装置插入到神经纤维中以传输电刺激。神经装置还可以具有至少一个通孔和支撑件。根据本发明的神经装置的优点在于可以在不杀死神经纤维的情况下获得电信号或者将电刺激提供给神经纤维。

Description

使用至少一条纳米线的神经装置
技术领域
本发明涉及一种包括传输和接收电信号的导线的神经装置。具体来讲，本发明涉及一种包括导线的神经装置的结构，所述导线有效获得在神经纤维中发展的电信号并将电刺激传输到所述神经纤维。
背景技术
如下来描述检测在人体中发展的电信号的传统装置。
第一，传统上已经提出基于MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)来检测神经的电信号的装置。该现有技术是这样的技术，即，通过使用MOSFET器件的选通(gating)来监视取决于外部刺激的膜电容的变化的技术，此外还是这样的技术，即，同时监测各种神经反应的技术。该现有技术已经应用到通过使用由聚酰亚胺制成的栅栏(picket fence)固定P-MOSPET周围的蜗牛神经元的位置并培养它们使其具有限制的活动性来检测神经信号的方法(Zeck等，Noninvasive neuroelectronic interfacing with synaptically connectedsnail neurons immobilized on a semiconductor chip，Proc Nat Acad Sci 2001；98)。图1表示根据该现有技术检测到的细胞内信号和细胞外信号。
第二，已经提出检测脑干或神经纤维的电刺激的技术。Cyberkinetics公司和犹他大学(美国)的诺曼团队从2000年起开始研究在神经和脑中直接插入多电极来测量电信号并刺激神经(Normann等，Long-Term Stimulation andRecording With a Penetrating Microelectrode Array in Cat Sciatic Nerve，IEEETransactions on Biomedical Engineering，VOL.51，NO.1，JANUARY 2004)。图2表示根据第二现有技术的多电极以及这些插入到猫坐骨神经中的电极的形状。
第三，提出在神经纤维中插入筛电极(sieve electrode)的技术。通过Fraunhofer-IBMT(德国)、IMTEK(德国)等公司的联合研究，已经通过在神经纤维中插入将被弯曲的筛电极并将电刺激传输到神经纤维而研究了神经的再生并且尝试对神经信号进行记录(Anup等，Design，in vitro and in vivoassessment of a multi-channel sieve electrode with integrated multiplexer，J.Neural Eng.3(2006)114-24)。图3表示基于如上所述的第三现有技术的筛电极。筛的总直径与大鼠坐骨神经的总直径(1.5毫米)相同，并且直径为40μm的571个孔以70μm的间隔设置在筛中。此外，环形的电极覆盖27个孔且电极的面积是2200μm。
发明内容
技术问题
在如上所述的图1中的现有技术的情况下，存在MOSFET器件的噪音高的问题，因而仅能测量电信号的趋势。
此外，在如上所述的图2中的现有技术的情况下，存在的问题是插入电极上的诸如脑干或神经细胞的细胞被杀死。
此外，当插入如上所述的图3的筛电极时，产生电极间的串扰(cross-talk)。因而，存在电信号未被正确检测的问题。
提出本发明来解决现有技术中的问题，本发明的一个目的在于提出能够在不杀死神经纤维的情况下获得电信号的神经装置。
本发明的另一目的在于提出一种可精确地获得电信号并将刺激传输到神经细胞的神经装置。
技术方案
为实现如上所述的目的，根据本发明的神经装置的特征在于其包括至少一条插入到神经中以从包括在神经中的神经纤维获得电信号或将刺激传输到神经纤维的纳米线以及与所述纳米线电连接的处理模块。
此外，根据本发明的神经装置的特征在于其包括至少一条插入到神经中以从包括在神经中的神经纤维获得电信号的纳米线、至少一条插入到神经中以将电刺激传输到神经的纳米线以及电连接到每条纳米线的处理模块。
优选地，本发明的特征在于神经装置还包括连接到处理模块并具有至少一个通孔和纳米支撑件的基底，其中，纳米支撑件通过按多区域划分通孔来形成或者从通孔的内周延伸来形成，其中，纳米线的一端固定在所述纳米支撑件上。
此外，一种根据本发明的处理关于神经纤维的电信号的方法包括以下步骤：切割神经的一部分；在切割的部分插入如上所述的神经装置。
有益效果
根据本发明的神经装置的优点在于可以在不杀死神经纤维的情况下获得电信号，或者向神经纤维提供电刺激。
此外，当使用根据本发明的神经装置时，具有可精确地获得电信号并将刺激传输给神经细胞的优点。
附图说明
图1表示根据第一现有技术检测到的细胞内信号和细胞外信号。
图2表示根据第二现有技术的多电极以及这些插入到猫坐骨神经中的电极的形状。
图3表示基于第三现有技术的筛电极。
图4和图5表示根据当前示例的包括在神经装置中的纳米线。
图6表示在当前示例中提出的包括神经装置的设备。
图7至图9解释了用于准备本发明的方法的一方面。
图10表示将在当前示例中提出的电极插入的一方面。
图11表示插入根据当前示例的神经装置的一方面。
图12表示通过通孔修复的神经。
图13和图14表示固定在通孔(502)上的纳米线支撑件(503)的形状的一方面。
具体实施方式
通过下面阐释的本发明的示例，本发明的具体特征和效果将得到更多体现。参照附图对当前示例解释如下。
根据当前示例的神经装置包括纳米尺寸的材料。纳米尺寸的材料具有小尺寸和增加的纵横比。因而，在纳米尺寸的材料表面上发生的电化学反应是优选的，从而可将纳米尺寸的材料用作各种传感器。特别地，诸如纳米管、纳米线和纳米棒的一维纳米材料具有高纵横比而易被操作，因而主要将它们实现为纳米装置。
在当前示例中，提出基于纳米线的神经装置来从神经获得电信号。根据当前示例的神经装置的特征在于包括至少一条从神经获得电信号或者将电刺激传输到神经的纳米线。
图4表示根据当前示例的包括在神经装置中的纳米线。
根据当前示例的纳米线401的特征在于从神经纤维402获得电信号或者将电刺激传输到神经纤维402。从解剖学来看神经是一个细长结构，从组织学来看是大量聚集的神经束。同时，神经束是大量聚集的神经纤维。神经纤维是指神经细胞的轴突部分，并且因为轴突具有类似纤维的细长结构而以术语神经纤维称之。以诸如轴突的多种术语来称呼神经纤维。
所有的神经纤维均由神经内膜即软结缔组织包围，神经束由神经束膜包围，神经即一束神经束由神经外膜包围。这些膜的存在是为保护神经，并且只有神经外膜可用肉眼辨别。
如在此示出，将根据当前示例的纳米线401插入神经纤维402中以获得电信号或将电刺激提供给神经纤维。也就是说，将根据当前示例的纳米线401插入神经束中的神经纤维内来获得沿神经纤维的表面发展的电信号，或者将刺激提供给神经纤维。
传统上，将按宏观单位尺寸制备的电极布置并插入神经纤维。在这种情况下，有电极插入的神经纤维中发生损伤，因而存在神经纤维被杀死的问题。然而，在当前示例的情况下，使用纳米线401来获得电信号和/或将电刺激提供给神经纤维，从而可使对神经纤维的损伤最小化。
纳米线401具有仅几百纳米的直径，因而可被插入到神经纤维402的任意部分中。通常来讲，由于神经纤维402的直径比数微米还要大，所以尽管有纳米线401插入但是神经纤维402不受到损伤。
如图4所示，优选沿纵向方向插入纳米线401。当沿纵向方向插入纳米线401时，纳米线401和神经纤维402的外侧部分之间的接触面积易被最大化。因此，优选沿纵向方向插入纳米线401。然而，纳米线401的插入方向并不受到限制。如图5所示，还可以沿垂直于神经纤维402的方向插入纳米线401。
图6表示在当前示例中提出的包括纳米线的装置。
在下面提及的附图中，为了便于解释，通过放大或缩小构件的尺寸来描绘各个构件。因此，本发明并不局限于附图的具体的值。
根据当前示例的神经装置包括电极和处理模块。
根据当前示例的电极500连接到处理模块510以处理从神经纤维检测到的电信号。处理模块510控制从神经纤维获得电信号或者将电信号传输到神经纤维的操作。处理模块510是可以通过使用用在如上所述的现有技术中的传统装置等而制备的装置。
根据当前示例的电极500将从神经纤维获得的电信号提供给处理模块510，并根据处理模块510的控制将电刺激传输给神经纤维。
根据图6的一方面的电极500包括基底501、通孔502、纳米线支撑件503和纳米线504。
可以以板型或各种立方形来制造基底501，并将其连接到处理模块510。在基底501中，优选形成至少一个通孔502。通孔502可以具有多个诸如圆形、椭圆形和多边形的各种横截面，但是优选地以易于形成的圆形形状来制造通孔502，或者以与神经束的横截面对应的形状来制造。优选地，通孔具有几纳米到几十纳米的直径。
优选地在通孔502的内周提供纳米支撑件503。纳米支撑件503保持纳米线504以将纳米线固定在一个方向。优选地，纳米线504通过纳米支撑件503固定。
图6表示根据当前示例的电极500连接到处理模块510的一侧的一个实施例。连接到处理模块510的一侧的电极500可以从神经纤维获得电信号、将电刺激传输到神经纤维，或者同时获得电信号并传输电刺激。一方面，连接到处理模块510的电极500的数量不受限制。例如，可以将两个电极500连接到处理模块510的相对两侧。在这种情况下，优选的是连接到处理模块510的一侧的第一电极(单个或多个)从神经纤维获得电信号，连接到处理模块510的另一侧的第二电极(单个或多个)将电刺激传输给神经纤维。
可以以各种方法制造如上所述的图6的电极500。生长纳米线504的方法和制备具有纳米线504的电极500的方法解释如下。
图7是用来解释使用催化剂合成纳米线的方法的示意图。如在此所示，当向纳米簇加入反应物时，纳米线通过成核(nucleation)与生长(growth)而合成。合成的纳米线可具有在图8中示出的形状。此外，在当前示例中使用的纳米线可以通过在现有技术中描述的任意方法来形成(Si NanowireBridges in Trenches：Integration of Growth into Device Fabrication Adv.Mater.17，2098，2005)。
根据所描述的内容，可以制造具有三维结构的纳米线，如在图9中所示。
制备包括如上所述的纳米线的电极500的方法的一方面解释如下。可以通过对诸如硅的各种材料的晶片应用光罩工艺以及蚀刻工艺来实现如上所述的包括通孔502和纳米线支撑件503的基底501。
当形成包括通孔502和纳米线支撑件503的基底501时，催化剂位于纳米线504在纳米支撑件503上生长的位置。例如，在将纳米线504固定在纳米线支撑件503的中间部分的情况下，用于生长纳米线504的催化剂位于纳米线支撑件503中的中间部分。可以通过光刻工艺等使催化剂位于纳米线支撑件503中的任意部分。优选地，根据要生长的纳米线504的材料来选择催化剂。例如，在生长硅纳米线的情况下，可以使用Au催化剂。当催化剂位于基板上时，可以通过CVD工艺等施加反应物来完成纳米线504。
基底501、纳米线支撑件503和纳米线504可以是各种材料。例如，可以是半导体材料或诸如硅、金、银和铜的金属材料，可通过纳米工艺使这些材料实现在纳米装置中。
图10表示将在当前示例中提出的神经装置插入神经的方面。如上所示，将根据当前示例的神经装置插入到神经中。为了将神经装置插入到神经中，将神经切割并将电极500插入到切割的间隙中。
具体来说，如在图10中示出的，包括具有大量神经纤维(未示出)的神经束601的神经600被切割并且在切割的部分中插入电极500。
电极500的插入方向不受局限，但是优选地，按照使包括在电极500中的纳米线以纵向方向插入到神经中来插入电极500。
在插入电极500之后，将切割的神经600缝合。
当切割的神经600保持在切割状态时，存在神经被杀死的问题。然而，由于在插入电极500之后将切割的神经600缝合，神经吻合可被内在地恢复。具体来讲，根据当前示例的电极500(如在图6中所示)具有至少一个通孔502，因而切割的神经纤维通过通孔502而内在地恢复。因此，优点是可以连续地获得在神经纤维中发展的电信号。
图11表示根据当前示例的神经装置被插入的一方面。如在此示出的，在切割神经的一部分并插入该装置之后，可以获得神经中的电信号，插入的神经可以是听觉神经。
图12表示通过通孔修复的神经纤维。
如在此示出的，通过通孔502来恢复被暂时切割的神经纤维801，之后，在神经纤维801中沿神经的纵向方向插入纳米线504。如在图12的一个方面中示出的，基底501具有通孔502，纳米线支撑件503固定在通孔502的内周上，纳米线504固定在纳米线支撑件503中。
由于多条神经纤维801存在于相同的方向中，所以多条纳米线504以特定方向存在是优选的。此外，基于预定的阵列图案来设置纳米线504是优选的，可使得纳米线504正确地插入到神经纤维801中。例如，可以以相同的间隔设置纳米线504，或者可以按特定面积密集地设置纳米线504。可以按100×100的尺寸提供纳米线504。也就是说，可以按照100×100的阵列来设置纳米线。
当提供图12的多条纳米线504时，可以在神经纤维801中的多个部分(例如，神经纤维的外侧部分)中插入纳米线504。
图13和图14表示固定在通孔(502)上的纳米线支撑件(503)的形状的一方面。如在图13中示出的，可以使纳米线支撑件503形成为将通孔502划分为多个区域。如在此示出的，纳米线支撑件503可以具有直线形状，或者可按具有各种曲率的曲线来形成。此外，如在此示出的，纳米线支撑件503可以从通孔502的内周或者要形成的基底501的任一侧延伸。
一方面，可以在通孔502的内周505上固定纳米线支撑件503的一端，而随机定位另一端，如图14所示。
对本领域的技术人员明显的是，在不脱离本发明的精神和必要特征的情况下，可以将本发明实现为其他具体方面。因此，以上详细描述是对本发明的举例说明并且全部方面将不被解释为对本发明的限制。本发明的范围应该通过权利要求中的合理解释来确定，并且与本发明等同的范围内的所有修改包括在本发明的范围之内。
产业上的可利用性
可以将根据本发明的电极用在从神经纤维获得电信号并将电刺激提供给神经纤维的电子设备中。因而，合理地认为本发明在产业上是可利用的。

Claims (4)

1.一种神经装置，所述神经装置包括：
至少一条纳米线，插入到神经中以从包括在神经中的神经纤维获得电信号或将刺激传输到神经纤维；
处理模块，与所述纳米线电连接；
基底，连接到处理模块并具有至少一个通孔和纳米线支撑件，
其中，纳米线支撑件通过按多区域划分通孔来形成或者从通孔的内周延伸来形成，
纳米线的一端固定在所述纳米线支撑件上，
其中，神经纤维通过通孔而恢复。
2.一种神经装置，所述神经装置包括：
至少一条第一纳米线，插入到神经中以从包括在神经中的神经纤维获得电信号；
至少一条第二纳米线，插入到神经中以将电刺激传输到神经；
处理模块，与第一纳米线和第二纳米线电连接；
基底，连接到处理模块并具有至少一个通孔和纳米线支撑件，
其中，纳米线支撑件通过按多区域划分通孔来形成或者从通孔的内周延伸来形成，
纳米线的一端固定在所述纳米线支撑件上，
其中，神经纤维通过通孔而恢复。
3.如权利要求1或2所述的神经装置，其中，多条所述纳米线按照100×100的阵列来设置。
4.如权利要求1或2所述的神经装置，其中，基底、纳米线和纳米线支撑件的每一者的材料是选自于硅、金、银或铜的任意一种材料。
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