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

Descripción del proyecto

La nueva generación de sondas neuronales basadas en semiconductores metal-óxido complementario

La introducción de sondas neuronales implantables de alta densidad basadas en la tecnología de semiconductores metal-óxido complementario (CMOS, por sus siglas en inglés) es un gran paso adelante en la neurociencia. Estas nuevas sondas proporcionan acceso simultáneo a miles de neuronas individuales en diferentes circuitos cerebrales al introducir cientos de microelectrodos muy próximos entre sí en el sustrato para registrar señales bioeléctricas extracelulares. Las sondas de CMOS actuales no son adecuadas para implantes crónicos estables y posibles aplicaciones clínicas en interfaces cerebro-aparato o neuroprótesis. Para lograrlo, una solución propuesta es minimizar las reacciones de los tejidos y mejorar la estabilidad de las sondas implantables basándose en la reducción del tamaño de estas y del sistema en conjunto. Por ello, en el proyecto ChroMOS, financiado con fondos europeos, se trabajará en pro del aprovechamiento de las principales ventajas de las sondas neuronales de CMOS, junto con la optimización de los circuitos, los materiales y los procesos de microfabricación.

Objetivo

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.