Toward monolithic CMOS based neural probes for stable chronic recording and brain machine interfaces

Projektbeschreibung

Neue Generation von neuronalen Sonden auf CMOS-Basis

Die Einführung von implantierbaren neuronalen Proben mit hoher Dichte, die auf einer komplementären Metalloxid-Halbleiter-Technologie (CMOS-Technologie) basieren, gilt als großer Fortschritt in der Neurowissenschaft. Diese neuen Sonden ermöglichen den gleichzeitigen Zugriff auf Tausende einzelne Neuronen in verschiedenen Gehirnbahnen, wodurch Hunderte dicht beieinander liegende Mikroelektroden in das Substrat eingebracht werden, um extrazelluläre bioelektrische Signale aufzuzeichnen. Aktuelle CMOS-Sonden eignen sich jedoch nicht als stabile chronische Implantate und potenzielle klinische Anwendungen für Hirn-Maschine-Schnittstellen oder die Neuroprothetik. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine Lösung vorgeschlagen, mit der sich Gewebereaktionen minimieren und die Stabilität der implantierbaren Sonden verbessern lassen. Dazu wird die Größe der Sonden und des gesamten Systems reduziert. Aus diesem Grund wird das EU-finanzierte Projekt ChroMOS auf eine Nutzung der wichtigsten Vorteile der neuronalen CMOS-Sonden hinarbeiten und gleichzeitig die Bahnen, Materialien und Mikrostrukturierungsprozesse optimieren.

Ziel

The recent advent of active high-density implantable neural probes based on CMOS technology is a big leap forward in neuroscience. Unprecedentedly, these new probes provide simultaneous access to several thousands of single-neurons in different brain circuits. Although realized with different circuit’s architectures, such devices combine the use of standard CMOS and MEMS technologies to realize monolithic active dense probes that integrate into the same substrate hundreds of closely spaced microelectrodes together with electronic circuits for recording extracellular bioelectrical signals. However, despite their unique value, current CMOS-probes are not yet adapted for chronically stable implants and this is a major drawback both for neuroscience research as well as for growing potential clinical applications in fields such as brain-machine-interfaces or neuroprosthetics.
An emerging hypothesis to minimize tissue-reactions and improve chronic stability of implantable probes consists in downscaling the cross-sectional sizes of their shafts as well as the overall system size. This fellowship proposes a deep study of this hypothesis by exploiting key advantages of monolithic CMOS based neural probes together with the optimization of circuits, materials and microfabrication processes. I will exploit my background in MEMs technologies and acquire new expertise in neuroscience to evaluate solutions for reducing CMOS shanks dimensions (20-80 µm width, 15-30 µm thick), strategies to improve tissue-materials interfaces, and to assess the effects of these features on brain tissue responses and recording performances. This will lead to ChroMOS probes with a very thin and uniform width (tens of microns) through all the shaft, and with electrode densities up to 1000 sites/mm2. This can lead to remarkably stable probe’s implants with large-scale single-neuron recording capabilities, far behind current technologies.