微型显示器可以实时监测大脑活动

美国团队开发基于LED的设备，以可视化大脑活动，在脑外科手术中指导神经外科医生

来自加州大学圣地亚哥分校和马萨诸塞州总医院的工程师和医生开发了一种薄膜显示设备，该设备结合了电极网格和特殊的GaN LED，可以在手术过程中实时跟踪和产生大脑活动的视觉表现。

该设备旨在帮助神经外科医生在手术干预期间监测大脑状态，以清除包括肿瘤和癫痫组织在内的脑部病变。

该团队由加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系教授沙迪·达耶赫领导，在4月24日出版的《科学转化医学》杂志上描述了这项工作。

该设备中的每个LED都反映了数千个神经元的活动。研究人员已经证明，该设备可以跟踪和显示与身体不同部位相对应的大脑神经活动。在这种情况下，该团队开发的LED在需要外科医生切除的区域会亮起红色。控制关键功能且应避免的周围区域会显示为绿色。

戴耶和他的团队利用他们在氮化镓方面的专业知识，开发了一种高效LED的制造技术，这种LED在点亮时不会发热，也不会损伤脑组织。这种材料本身是在平坦坚硬的基板上生长的（Qromis基板技术）。戴耶的团队能够将数千个LED嵌入柔性薄膜中，并以柔性显示面板的形式从基板上释放出来。研究人员随后使用喷墨打印在LED表面沉积量子点墨水，将其蓝光转化为多种其他颜色。“这使得神经活动模式的视觉表现更加丰富和细致，”戴耶说。

“这些基于氮化镓的无机微发光二极管比有机发光二极管更亮、更节能，可以在手术灯下保持清晰的可见度，手术灯的亮度可能超过直射阳光的亮度。iEEG微型显示器只有几十微米厚，可以在数千个通道中以每秒20,000个样本的速度捕获大脑活动，并以40 Hz的视频速率将其可视化。这使得在关键的外科手术干预过程中能够精确、实时地显示皮质动态，”共同发明人Youngbin Tchoe说，他以前是加州大学圣地亚哥分校Dayeh小组的博士后，现在是蔚山国立科学技术学院的助理教授。

然后，研究人员将LED安装在Dayeh实验室的另一个创新产品铂纳米棒电极网格（PtNRGrid）的顶部。自2019年以来，Dayeh的团队使用PtNRGrids率先开发了具有数千个通道的人脑和脊髓成像，以监测大脑神经活动。PtNRGrid还包括穿孔，使医生能够插入探针，用电信号刺激大脑，用于成像和治疗。

微型显示器尺寸为5乘5平方毫米和32乘32平方毫米，包括1024或2048个这些LED，层压在PtNRGrid的背面。除了LED之外，该设备还包括采集和控制电子设备以及软件驱动程序，用于直接从大脑表面分析和预测皮层活动。

Dayeh的团队目前正在研发一种微型显示器，它将包括100,000个LED，分辨率相当于智能手机屏幕。这些显示器中的每个LED都会反映几百个神经元的活动。这些大脑微型显示器的成本只是高端智能手机的一小部分。

这种大脑微型显示器还将包括一个可折叠的部分。这将允许外科医生在可折叠的部分内进行手术，并监测手术的影响，因为微型显示器的另一个展开的部分实时显示大脑的状态。

研究人员也在研究这项研究的一个局限性。LED传感器和PtNRGrids的接近导致数据中存在轻微的干扰和噪声。该团队计划构建定制的硬件来改变打开LED的脉冲频率，以便更容易地筛选出与大脑电活动无关的信号。

脑部微型显示器是在加州大学圣地亚哥分校高通研究院的Nano3洁净室设施中制造的。

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