基于先进TMR传感器的磁电极，为脑机接口与神经病理研究提供新工具
2026-05-23 22:22:27 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

该研究将基于TMR传感器的磁电极确立为一种新型、极具前景的高分辨率神经信号记录工具，有望在脑机接口以及神经系统疾病病理生理学研究中得到应用。

得益于科学技术的持续进步，脑机接口（BCI）在娱乐、虚拟现实、疾病诊断和医疗康复等众多领域展现出巨大潜力。脑机接口的核心技术在于精准解读脑信号，实现人类与外部设备的直接通信。因此，高效且精准地检测脑信号成为推动脑机接口技术发展的核心挑战。检测并分析脑信号对于揭示神经网络的运作机制至关重要。

随着研究越来越聚焦于大规模神经元群体，人们对局部场电位（LFP）记录的兴趣也随之大幅增长，这主要归因于局部场电位在推动临床应用方面所蕴含的巨大潜力。局部场电位主要反映神经元群体的同步电活动，而这种活动主要受植入位点附近的突触活动影响。当前的局部场电位技术高度依赖微电极，尤其是“犹他电极阵列”和“密歇根探针”等硅基MEMS电极阵列。然而，这些微电极在局部场电位信号记录方面仍存在诸多局限。

神经元活动不仅会产生电流，还会产生磁场。与电信号相比，由于生物组织的磁导率一致，磁信号在穿过不同组织时不会发生失真。此外，磁信号记录还具有独特优势，包括非接触操作和矢量信号检测等。基于自旋电子学的隧道磁电阻（TMR）传感器凭借高灵敏度、紧凑的尺寸和低功耗，成为体内磁记录的一种极具前景的新型候选器件。

据麦姆斯咨询介绍，中国科学院空天信息创新研究院和中国科学院大学的研究团队提出了一种基于TMR传感器的新型神经磁电极，并针对体内局部场电位的磁信号记录进行了优化。相关研究成果已经以“An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

基于先进TMR传感器的磁电极，为脑机接口与神经病理研究提供新工具

论文摘要附图

磁电极的结构与性能表征

研究团队设计并制备了一款专为在体神经记录优化的小型化TMR磁电极。该探针的结构设计为长径比3的椭圆形结（短轴长度为15 μm），并采用12磁性隧道结（MTJ）的串并联连接方式，这一设计既能保持较高的灵敏度，又能实现较低的磁滞现象。与依赖大型激励线圈或复杂光热器件的笨重传感器不同，TMR器件的微米级尺寸和无源工作模式，确保了其具备高空间分辨率且侵入性极低，使其成为可植入生物传感器的理想选择。

磁电极结构与性能表征

图1 磁电极结构与性能表征

磁电极结构的示意图如图1a所示，探针长度设计为5 mm，以匹配大鼠海马体的深度，用于后续的大鼠体内实验。探针的宽度为300 μm，主要受MTJ尺寸限制。为实现体内检测，探针尖端角度设计为80°，既保证了穿透性，又最大程度减少了对生物组织的损伤。制备完成的TMR磁电极的光学照片如图1b所示。

磁电极的传输曲线如图1c所示，其磁阻比为145%，低场灵敏度为16.59%/mT。图1d展示了该磁电极的噪声性能，在1 Hz下实现了4.8 nT/√Hz的低检测限，在1 kHz下检测限低至140 pT/√Hz。所提出的TMR磁电极性能超越了目前已有的可植入磁电极，在体内应用的检测限方面实现了重大突破。

偏置电流对器件噪声的影响

图2 偏置电流对器件噪声的影响

研究团队分析了该磁电极在不同偏置电流下的噪声功率谱密度（PSD），发现减小偏置电流和提高激励频率可有效抑制低频噪声。此外，体外模拟实验验证了该磁电极及其接口电路能够检测局部场电位产生的磁场。

体内实验

为进一步验证神经磁电极在体内检测中的可行性，研究团队将神经磁电极和微电极同时植入麻醉大鼠的海马区。局部场电位代表神经元群体的空间加权活动，其有效侧向记录半径约为200-400 μm。基于这一空间范围，严格将磁电极与微电极记录位点之间的间距控制在100 μm以内，确保两种探针采集的信号均来自同一神经元群体。

在此条件下，微电极检测到的电信号作为标准参考信号，用于验证神经磁电极在体内检测磁信号的可靠性。微电极与电生理检测仪相连，接口电路采用惠斯通电半桥结构，可有效抑制环境干扰和温度漂移的影响，保障信号的稳定性与可靠性。信号经前置放大后，由SR560放大器进行滤波和二次放大，再通过数据采集卡转换为数字信号，传输至电脑进行后续处理。

为保证分析的全面性与代表性，记录四段时长为100秒的磁信号，并将其与电生理局部场电位信号进行对比，以验证磁信号的真实性与有效性。首先采用四阶巴特沃斯带通滤波器去除信号中无关的频率成分，随后使用韦尔奇法计算每段滤波后磁信号的功率谱密度（PSD），并进行归一化处理以与电信号对比。归一化可消除不同数据段间的幅度差异，使对比结果更为准确。

活体动物实验测试结果