用于神经接口的纳米光电传感机理及器件研究

Neural interface is a type of transducer using on body. With the help of these devices, communication can be realized between biologycial nerual system and artifical system. Neural interface plays a important role at brain-computer interface, intelligent artifical limb as well as functional stimulation therapy. Now, the neural interface is able to communicate (recording or stimulating)with a single neural cells at a frequency as high as several kHz. While these neural interface equipments, especially the implantable parts, for cause of artifacts arose by the stimulation, electrical stimulation and electrical recording can not be implement at the same time. we bring forward the following point. by the help of nano-optoelectronics or bio-optical technology, developing neural interface based on non-electricity transducer. In this study, we are planning to use SPR or light-sensitive protein(opto-genetics ) technology. We believe a neural interface, as a tool to study nerual system, with electrical and optical stimualtion ability as well as electrical and optical recording function can achivement more in the future.

摘要：神经接口是一种在体使用的传感器，可以实现生物神经信号和人工电信号之间的交互转换，在脑-机接口、智能假肢和功能电刺激治疗等方面有着广泛的应用。从当前研究看，空间分辨率可以达到单个神经元尺度、时间分辨率可以达到毫秒量级的神经电发放记录和刺激（或调控）的神经接口已经实现。但是这些神经接口系统，特别是植入体内、与神经组织接触的接口器件部分，由于电刺激导致的伪迹问题，无法实现对神经信号的实时、精确同步记录和调控。通过在现有的微电极神经接口中引入光通道，藉由微纳加工和器件集成，在电刺激-电记录之外，引入“光刺激-电记录”和“电刺激-光记录”两种功能。使得对神经元记录与调控时，刺激和记录可以同步进行。研究将表面等离子传感和光转转基因技术与神经接口器件融合的方法，研究非电信号传感或调控的神经接口方法和器件实现。推动神经工程、脑神经科学和认知记忆等相关研究的突破性发展和进步。

通过本项目的研究，掌握了高通量神经电接口器件的设计和制备方法；通过电极表面的纳米修饰，大幅提高了电极的电学能力和生物相容性。利用电极表面的纳米材料修饰，采用电化学分析的方法，使得基于微电极的神经接口器件同时具备了检测神经电活动信号和化学递质信号的能力。利用微纳集成技术，将光纤、μLED等光源和波导以多种方式与微电极相结合，研制了同时具有给光和神经电信号记录能力的光电神经接口器件，并在模型动物身上做了验证。通过建模仿真等方法，找到了硅基微电极产生光噪声的原因，提出了一种可减小或消除光噪声的器件结构，很好地消除了硅基光电接口器件中的光电串扰，提高了光电器件双工工作时的可靠性。对基于金属纳米颗粒的SPR传感器的设计、制备方法进行了深入研究，提出了三种金属纳米阵列的制备方法，实现了器件制备并对生物信号进行了无标记检测，这些无需标记的LSPR传感方法和检测手段，具有极高的灵敏度，使得这一技术有望用于未来神经递质的检测。在此基础上，对制备在光纤表面、方便植入体内的光纤结合SPR传感技术进行了研究，得到了几种适合体内植入检测的光纤传感器的设计方案。课题从器件设计制备、表面修饰、检测方法与纳米修饰及传感灵敏度验证等多个环节，对基于纳米光传感技术的伸进接口进行了研究。技术指标目标全部达标，发表论文68篇，申请发明专利10项。培养博士后3人，博士研究生8人，硕士研究生5人，全面完成了计划任务，为光电神经接口器件的发展储备了关键技术。