摘要 脑机接口(BMI)有望恢复感觉和运动功能以及治疗神经系统疾病,但临床BMIs尚未被广泛采用,部分原因是适度的通道数限制了它们的潜力。在白皮书中,我们描述了Neuralink迈向可扩展高宽带BMI系统的第一步。我们已经建立了小儿灵活的电极“螺纹”阵列,每个阵列有多达3,072个电极,分布在96个螺纹上。我们还建立了一个神经外科机器人,每分钟能插入六根线(192个电极)。每个线程可以以微米精度单独插入大脑,以避免表面脉管系统并且瞄准特定的大脑区域。电极阵列封装在一个小型可植入器件中,该器件包含用于低功耗板载放大和数字化的定制芯片:3,072个通道的封装占用面积小于(23*18.5*2)mm3。单根USB-C电缆可从设备提供全带宽数据流,同时从所有通道进行录制。该系统在长期植入的电极中实现了高达85.5%的尖峰产率。Neuralink的BMI方法在临床相关包装中具有前所未有的包装密度和可扩展性。 1 简介 脑机接口(BMI)有可能帮助患有各种临床疾病的人。例如:研究人员已经证明人类神经假控制的计算机游标,机器人肢体和语音合成使用不超过256层的电极。虽然这些成功表明大脑和机器之间的高保真信息传递是可能的,但BMI的发展受到无法记录大量神经元的严重限制。非侵入性方法可通过记录头骨上数以百万计的神经元的平均分布数实现,但是这种信号是失真且非特异的。放置在皮层表面的有创电极可以记录有用的信号,但它们受到限制,因为它们平均记录着了数千个神经元的活动,并且不能记录大脑深处的信号。大多数BMI都使用侵入性技术,因为最精确的神经表征读数需要记录分布式功能相关集合中神经元的单个动作电位。

微电极是记录动作电位的黄金标准技术,但目前还没有可用于大规模记录的临床可转换微电极技术。这将需要具有提供高生物相容性,安全性和长寿命的材料特性的系统。此外,该设备还需要实用的手术方法和高密度,低功率的电子设备,以最终促进完全植入的无线操作。

对于长期神经记录的大多数设备是由刚性的金属或半导体制成的电极阵列。而刚性的金属阵列便于穿透脑,大小,杨氏模量,并且弯曲的刚性探针与刚性探针和脑组织之间的不匹配可以驱动限制这些设备的功能和寿命的免疫应答。此外,这些阵列的固定几何形状限制了可以被接近的神经元群体,尤其是由于脉管系统的存在。

一种替代的方法是使用薄的,柔性的多电极探针聚合物。这些探针的较小尺寸和增加的灵活性应提供更大的生物相容性。然而,这种方法的缺点是薄的聚合物探针不够硬,不能直接插入大脑; 它们的插入必须由加强筋,注射或其他方法来促进,所有这些都相当缓慢。为了满足高带宽BMI的功能要求,在利用薄膜器件的特性的同时,我们开发了一种机器人方法,其中大量精细且灵活的聚合物探针可以有效且独立地插入多个脑区。

在这里,我们报告了Neuralink在灵活,可扩展的BMI方面取得的进展:该BMI将通道数量比先前的工作量增加了一个数量级。我们的系统有三个主要组件:超细聚合物探针(本报告第2部分),神经外科机器人(第3部分)和定制高密度电子设备(第4部分)。我们展示了96个聚合物螺纹的快速植入,每个螺纹具有32个电极,总共3,072个电极。

我们开发了微型定制电子设备,允许我们同时从所有这些电极传输全宽带电生理数据(第5部分)。我们将该系统打包用于长期植入,并开发了定制的在线尖峰检测软件,可以检测低延迟的动作电位。该系统共同作为最先进的研究平台和第一个完全植入人体BMI的原型。

2主题

我们开发了一种定制工艺来制造使用了各种生物相容性薄膜材料的微小位移神经探针。这些探针中使用的主基板和电介质是聚酰亚胺,用于封装金薄膜迹线。每个薄膜阵列由具有电极触点和迹线的“螺纹”区域和“传感器”区域组成,其中薄膜与定制芯片接口用于实现信号放大和采集。晶圆级微加工工艺可实现这些器件的高通量制造。十个薄膜器件在晶片上图案化,每个薄膜器件具有3,072个电极触点。

每个阵列有48或96个线程,每个线程包含32个独立电极。使用倒装芯片键合工艺将集成芯片键合到薄膜的传感器区域上的触点。该方法的一个目标是保持小的螺纹横截面积以最小化脑中的组织位移。为了实现这一点,在保持通道数高的同时,使用步进光刻和其他微加工技术以亚微米分辨率形成金属膜。

我们在阵列中设计和制造了20多种不同的螺纹和电极类型; 在图2的面板A和B中示出了两个示例设计。1。我们制造的线宽范围为5到50微米,包含几种几何形状的记录位置(图1)。螺纹厚度标称为4至6μm,其包括最多三层绝缘层和两层导体。典型的螺纹长度约为20 mm。为了在插入之前管理这些细长的线,将聚对二甲苯-c沉积在线上以形成薄膜,在该薄膜上线保持连接直到手术机器人将它们拉下。每个线程在(16×50)结束微米2循环以适应针穿线。

(Figure 1)
我们的新型聚合物探针 A. “线性边缘”探针,32个电极触点间隔50μm。B. “树”探针具有间隔75μm的32个电极触点。C.增加了面板A中螺纹设计的单个电极的放大倍数,强调了它们小的几何表面积。D.两种表面处理的电极阻抗分布(在1kHz下测量):PEDOT(n = 257)和IrOx(n = 588)。

由于各个金电极位置具有小的几何表面积(图1C),我们使用表面修改来降低电生理学的阻抗并增加界面的有效电荷承载能力(图1D)。我们使用的两种这样的处理是掺杂有聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)[29,30]和氧化铱(IrOx)[31,32]的导电聚合物聚亚乙基二氧噻吩。在台式测试中,PEDOT:PSS和IrOx的阻抗分别为36.97±4.68kΩ(n = 257电极)和56.46±7.10kΩ(n = 588)。 PEDOT:PSS的阻抗较低,但PEDOT:PSS的长期稳定性和生物相容性不如IrOx好。这些技术和工艺可以改进并进一步扩展到其他类型的导电电极材料和涂层。

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