神经接口分类及其应用研究

神经接口的主要功能是记录或刺激大脑中的电活动。根据电极放置在大脑中位置的不同，神经接口可记录不同类型的神经信号。非侵入式的头皮电极记录的脑电图（Electroencephalogram， EEG），[17，18]以及侵入式的与大脑皮层直接接触的皮层电极记录的皮层电图（Electrocorticogram， ECoG）[19]，都属于场电位信号，反映了大量神经元同步的神经活动。侵入式的植入大脑内部的深度电极，既可以记录局部场电位（Local Field Potential， LFP）信号，又可以记录单个细胞发放的动作电位信号。非侵入式EEG电极直接放置于头皮上，并且可以放置在大脑的不同区域，从而记录全脑的电活动，以提供有用的功能信息，这种方法方便、安全且成本低，但空间分辨率低，易受到肌电信号的影响，噪声水平高，并且随着时间的推移易造成传感器移位，布线仪器连接复杂。EEG信号通过一定的算法进行解码，可实现各种各样的神经接口应用。[20]与EEG信号相比，ECoG信号不存在头骨的过滤，有较低的噪声、较高的带宽和功率。无线ECoG电极可以克服EEG电极连线复杂的缺点。EEG信号具有较为缓慢的节律（5～300 μV，小于100Hz），ECoG信号具有中等节律（0.01～5mV，小于200Hz），可以将电极放置在硬脑膜上方或者下方进行监测。目前FDA未批准可长期植入人体的ECoG电极。侵入式深部电极可用于记录局部场电位（小于1mV，小于200Hz）和动作电位（约500 μV，0.1～7kHz）（图3-4）。[21]虽然深部电极接口侵入性更大，具有更高的时间和空间分辨率，可以记录到单个神经元的放电，并且可以专门针对任意脑区，但是电极植入得越深，电极定位的精确度也随之下降，这对于维持长期的安全性和长期稳定的信号记录是具有挑战的。[22]FDA批准的可用于人体的脑深部电极有植入大脑内部数厘米深的DBS电极，其已经帮助治疗了数万名帕金森综合征的患者。ECoG接口的侵入性和信号分辨率，均介于EEG接口和深部电极接口之间。[21]

图3-4　神经接口的分类[21] (www.xing528.com)

在基础电生理学研究中，对单个神经元产生的动作电位进行记录，对我们理解神经网络连接和大脑活动是非常重要的。场电位信号的记录在临床疾病诊断以及病灶切除、DBS电极植入术前和术中的介入检测方面，都有非常广泛的应用。癫痫病灶的定位很大程度上依赖于EEG和ECoG的记录，[23]在DBS电极植入前，利用单细胞动作电位信号的放电特征，可以帮助定位植入靶点。场电位信号还可以作为闭环DBS系统的特征性标记信号。各式各样的神经接口在癫痫、脑肿瘤、疼痛甚至精神疾病的手术治疗中发挥着越来越重要的作用。