CN107789729A - 一种侵入式脑机接口 - Google Patents

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盛昊
汪浩
王晓萌
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    • A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
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    • A61N1/372—Arrangements in connection with the implantation of stimulators
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Abstract

本发明公开了一种使用凝胶的侵入式脑机接口，本发明首创的使用了凝胶作为电极的侵入式脑机接口。凝胶处于细玻璃管之中，玻璃管保证了植入脑部时的刚度，并且起到了绝缘的作用。凝胶头部与大脑进行直接接触，后部与外接采集的电极金属丝，药物或者激光源相连。由于凝胶具有很好的生物相容性，因此能够减少埋植后的对大脑的生理损伤，增加脑部电信号的记录时间。此外，凝胶透明且可以导电，并可进行药物缓释，因此激光刺激和脑电信号搜集功能可以通过一根凝胶管实现。这样不仅提高了实验的准确性，确保刺激和记录的为同一部位，而且在实现多种功能的同时只需要埋植一根凝胶管，减少了对大脑的损伤。

Description

一种侵入式脑机接口
技术领域
本发明涉及一种侵入式脑机接口，具体为一种使用凝胶的侵入式脑机接口。
背景技术
神经生物学在探究大脑运作原理时，通过对特定区域埋入光纤或植入药管来进行局部的光学或药物刺激，以激起该区域神经元的兴奋。并通过在该区域植入金属电极或者观察动物的行为，来判断这种刺激所引起的后果，从而探究神经环路。在这里，神经生物学所使用的光纤，药管或是金属电极，都是侵入式的脑机接口，是探究神经工作原理的必不可少的技术手段。但传统的侵入式脑机接口具有极高的硬度和较差的生物相容性。在使用过程中，在植入物的头部容易造成神经胶质细胞的增生，从而在埋置一段时间后，影响正常的功能。此外，若需要实现多种功能，还需要进行多个植入物的埋植，对脑部造成较大的损伤。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的提供一种使用凝胶的侵入式脑机接口。首创的使用了凝胶作为电极的侵入式脑机接口。凝胶处于细玻璃管之中，玻璃管保证了植入脑部时的刚度，并且起到了绝缘的作用。凝胶头部与大脑进行直接接触，后部与外接采集的电极金属丝，药物或者激光源相连。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种侵入式脑机接口，以凝胶为中间介质，进行电信号的传导、药物的输送，以及激光刺激的传播；所述水凝胶为弹性模量低于100MPa且生物相容的水凝胶。
进一步地，包括填充有水凝胶的过渡仓和玻璃管，以及分别与所述过渡仓相连通的惰性金属电极、光纤和药物注射管，且所述光纤、过渡仓、玻璃管从上到下依次位于同一竖直线上。
进一步地，所述水凝胶为由溶解在生物相容液(如脑脊液，生理盐水)中的高分子单体聚合而成的水凝胶。
进一步地，所述高分子单体由丙烯酸钠、丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯磺酸钠、二甲基丙烯酰胺、乙烯醇、乙二醇、苯乙烯磺酸钠中的一种或多种聚合而成。
进一步地，所述惰性金属电极为铂金、金、银片，或具有铂金，金，银镀层的金属片。
上述所述的使用凝胶的脑皮层电图柔性电极的工作原理为：
通过手术将包含凝胶的玻璃管2植入脑中。在刺激时，光纤5与玻璃管2中的凝胶对中，光纤5发出的光可以直接通过透明的凝胶照射到埋置部位。另外，可以通过药物注射孔6将特定药物注射入凝胶内，通过缓释作用下渗到埋置部位。在记录时，玻璃管2凝胶的头部与脑皮层直接接触。脑皮层产生的局部场电位引起凝胶中的自由离子定向移动。由自由离子定性移动引起的离子浓度变化产生了电势的改变。这一电势的改变由外接惰性金属电极4记录并传导到外部仪器。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、凝胶是固体的高分子网络，在其间充满液体环境。这一分子构成与生物组织类似。作为传统的组织培养材料，凝胶具有很好的生物相容性。通过采用中性凝胶高分子网络加上脑脊液，凝胶可以在植入大脑时提供给大脑细胞接近原本状态液体环境。因此相较于传统侵入式脑机接口，具有极佳的生物相容性，能够减少胶质细胞的产生，从而实现长时间的信号记录。
2、凝胶是固体的高分子网络，在其间充满液体环境。凝胶通过液体环境中游离的离子实验导电，离子的定向移动形成电流。这一原理与脑组织的导电机制相同。金属是电子导电，凝胶相较于传统的金属电极，避免了潜在的化学反应。
3、凝胶具有极佳的透明性，并且能够实现药物缓释，因此可以同时实现导电，导光，导药三大功能。从而实现一次埋植入实现多种功能，减少对脑组织的损伤。另外可以确保刺激部位与纪录部位相同，提高实验的准确性。
附图说明
图1为本发明侵入式脑机接口的结构示意正视图。
图2为侵入式脑机接口埋植于小鼠脑皮层后，电极记录到的小鼠皮层场电位随激光刺激产生的变化；
图3为侵入式凝胶脑机接口(a)和侵入式铂金脑机接口(b)埋植如小鼠脑中两周后的免疫组化结果。
图中，过渡仓1、玻璃管2、基座3、惰性金属电极4、光纤5、药物注射管6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种使用凝胶的侵入式脑机接口，包括过渡仓1和玻璃管2，以及分别与所述过渡仓1相连通的惰性金属电极4、光纤5和药物注射管6，且所述光纤5、过渡仓1、玻璃管2从上到下依次位于同一竖直线上；将聚乙二醇双丙烯酸酯溶解于脑脊液中，加入引发剂制成凝胶前驱体，注射入过渡仓1和玻璃管2中制成侵入式脑机接口，图中采用基座3将上述过渡仓1、玻璃管2、惰性金属电极4、光纤5和药物注射管6进行固定。将上述脑机接口植入到转基因小鼠品系vgt‐ch2控制睡眠的LH，外部仪器检测器皮层场电位。待老鼠睡着后，用激光进行刺激，老鼠由于刺激醒来。记录这期间的场电位信号如图2所示。
通过对场电位的分析可以发现，小鼠在激光刺激后，场电位产生了明显变化，振幅减少，显示了老鼠由睡眠到醒来的过程，说明激光刺激和电信号记录都运转良好。
实施例2
将传统铂金侵入式脑机接口与实施例1制备的侵入式脑机接口插入同一老鼠脑内。经过2周后进行免疫组化染色，观察胶质细胞增生。如图3所示，图a为实施例1制备的凝胶侵入式脑机接口，图b为传统铂金侵入式脑机接口。填充有凝胶的玻璃管2在侵入后，胶质细胞在显微镜下被激光激发出荧光。可以发现凝胶的胶质细胞明显少于铂金丝的胶质细胞。说明了凝胶在脑部环境中具有良好的生物相容性。

Claims (5)

1.一种侵入式脑机接口，其特征在于，以凝胶为中间介质，进行电信号的传导、药物的输送，以及激光刺激的传播；所述水凝胶为弹性模量低于100MPa且生物相容的水凝胶。
2.根据权利要求1所述的侵入式脑机接口，其特征在于，包括填充有水凝胶的过渡仓(1)和玻璃管(2)，以及分别与所述过渡仓(1)相连通的惰性金属电极(4)、光纤(5)和药物注射管(6)，且所述光纤(5)、过渡仓(1)、玻璃管(2)从上到下依次位于同一竖直线上。
3.根据权利要求1所述的侵入式脑机接口，其特征在于：所述水凝胶为由溶解在生物相容液(如脑脊液，生理盐水)中的高分子单体聚合而成的水凝胶。
4.根据权利要求1所述的侵入式脑机接口，其特征在于：所述高分子单体由丙烯酸钠、丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯磺酸钠、二甲基丙烯酰胺、乙烯醇、乙二醇、苯乙烯磺酸钠中的一种或多种聚合而成。
5.根据权利要求1所述的侵入式脑机接口，其特征在于：所述惰性金属电极(4)为铂金、金、银片，或具有铂金，金，银镀层的金属片。
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