復旦大學宋恩名/張榮君團隊開發硅基-腦組織多模態腦機接口，實時監測腦皮層電、熱和光動態信號

編輯丨王多魚

排版丨水成文

慢性腦生理信號監測器件有助于及時診斷和治療發作性或復發性神經系統疾病。與傳統無源金屬電極相比，有源薄膜晶體管可提供微弱腦電信號的提取放大降噪優勢、提高采集信噪比。單晶硅納米薄膜是一種超薄二維材料，由于其具備完美晶格對稱性與高電子遷移率（103 cm2/V·s），具有廣泛應用前景。基于硅基-碳基界面的高密度集成晶體管陣列有望帶來新一輪變革性突破，可實現高密度、高保真度、高信噪比的腦信號長效記錄。

盡管有源器件在腦電監測方面取得了重大進展，診斷/治療神經系統疾病通常需要多模態參數的綜合監測，特別是像癲癇、腫瘤這些慢性神經疾病經常涉及腦皮層溫度異常等現象，甚至需要光遺傳學等手段進行干預。然而，目前對植入式神經電、熱和光模態的綜合監測仍然較少報道，大多局限于單模態的腦信號傳感，無法滿足當前神經動力學研究日益增長的需求。

近日，復旦大學宋恩名、張榮君課題組聯合提出了一種硅基-碳基組織界面的多模態腦機接口系統，該系統支持實時連續監測腦電、熱和光動力信號。系統的材料和結構設計基于單晶硅有源器件和用于微弱腦信號的電容耦合機制（信噪比~40 dB），通過利用硅基晶體管的光電效應和有源元件的功能復用，同步集成了用于熱傳感的溫度傳感器（精度0.1°C）與精確光動力測量（0.57 nA/(mW/cm2)）的光遺傳學信號。

該系統保持了與神經組織長期穩定接觸所必需的機械靈活性，其多功能運行模式互不干擾；在體外實驗中展示了電容耦合硅基晶體管的長期穩定性特征，并在動物實驗以及生物相容性評估中表現出了適用于臨床環境的可同時長期監測多種大腦活動的能力。該多功能平臺中使用的技術在腦機接口中具有一定的普適性，可通過連續的多模態神經動力學數據采集，提供潛在的診斷和治療途徑來提高慢性神經系統疾病患者的生活質量，特別是癲癇和腦腫瘤等。

這項研究成果以：An Active, Multimodal Neural Interface for Real-Time Monitoring of Cortical Electrical, Thermal, and Optical Dynamics 為題，發表于國際學術期刊Advanced Science，復旦大學博士生黎家豪為論文第一作者，宋恩名教授、張榮君教授為該論文通訊作者。

圖1：植入式多功能腦機接口系統的設計

圖2：多模態腦機接口系統的體外神經電和熱監測性能

圖3：長期穩定性、抗干擾性及其拓展的光電探測器功能

圖4：多模態腦機接口系統的動物實驗和生物相容性

這項研究引入了一種高度兼容、高信噪比的多模態腦機接口系統設計——將硅基晶體管-無源器件集成與單器件功能復用策略相結合。所展示的用于電生理和光強探測的晶體管陣列與溫度傳感器同時展示了較優異的電/熱/光性能、長期穩定性和生物相容性，模態之間互不干擾。隨著未來與多路復用互連方案的結合和溫度傳感單元的進一步小型化，有望在單個系統中實現三個甚至更多傳感功能的陣列。這些設計策略不僅可以促進光刺激期間熱效應的研究，還可以為其他腦部疾病的研究提供新的觀察維度，例如癲癇病灶定位、腫瘤代謝監測和閉環光遺傳學治療等。總體而言，這些結果和方法有望進一步推進植入式神經接口的大面積、多模態實時監測技術的發展。

致謝：該項研究得到了國家科技創新2030-腦科學與類腦研究重大專項（青年）、國家自然科學基金委等項目的資助，謹此感謝。

作者信息：宋恩名，復旦大學。獲首批國自然海外青年人才項目，創新2030腦計劃重大專項青年首席科學家。長期從事硅基腦機接口研究，《麻省理工科技評論》35人、上海科技35人、達摩院青橙獎、聯合國工業組織科創進步獎。

張榮君，復旦大學，教授，博士生導師。長期主要從事光學、光電子和微電子材料與器件，以及光健康、醫工結合等方面研究和教學工作。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202512114