可植入大脑皮质内的微电极：回顾当下，展望未来
2023-01-14 20:50:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

可植入大脑皮质内的微电极可以记录神经元快速变化的动作电位（尖峰）。人体神经活动记录方法要么具有高的时间分辨率，要么具有高的空间分辨率，不会两者兼备。如今，人体长时间记录更多神经元的需求越来越大。然而，在实现长期、稳定、高质量的记录以及实现全面、准确的大脑活动分析之前，仍有许多挑战需要克服。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验的研究人员在《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊上发表了题为“Implantable intracortical microelectrodes: reviewing the present with a focus on the future”的综述论文，他们从各个方面给出了可植入微电极的挑战和当前可能的解决方案，分析和总结了微电极技术的发展现状。

基于理想的可植入皮质内微电极装置的要求，本综述分为四个方面，每方面讨论一个可植入电极的重要特征，这四个方面按可植入皮质内微电极重要性顺序进行介绍，并渐进式展开，同时简要回顾了与每个方面相关的进展和挑战。本综述还讨论了可植入微电极当前的技术挑战和相应的解决方案（良好的顺应性、最小化体积和高通量）。具体介绍了在一个或多个方面满足理想微电极期望的一些新技术。这些方法和策略有可能成为下一代可植入微电极的关键技术。

基本要求：高质量的记录能力

可植入微电极最基本的功能是获取神经元的电生理信号，尤其是神经电活动的基本单元——尖峰脉冲。高质量的记录信号对于准确评估神经元活动至关重要。信号质量体现在如信噪比（SNR）、单个单元记录能力和长期记录能力等几个指标上。其中，单个单元记录能力和长期记录能力都与信噪比有关。

必要要求：稳定、长期的记录能力

作为用于体内应用的装置，可植入电极应能够长时间稳定工作，最好陪伴用户度过整个生命周期。这种稳定性可分为两个部分。第一部分是电极本身在细胞外液环境中应该是稳定的。绝缘材料和导电材料应牢固结合。稳定性的第二个部分是装置应与组织生物相容。生物相容性要求制造过程中使用的所有材料都是无毒的。电极通常由具有化学稳定性、无生物毒性和良好导电性的金属制成，例如铂、铱、金、钨和不锈钢等。硅、二氧化硅和聚合物通常用作电极封装材料。生物相容性还要求可植入电极引起的组织免疫反应最小。

图1：超小体积的柔性电极

图2：顺应性电极与辅助工具的组合方式

关键要求：高通量、高密度的记录能力

为了确定大脑的某些功能，有必要同时监测多个大脑区域的大量神经元。多电极记录可以深入了解多个神经元之间的相互作用，有助于掌握神经活动的基本原理，并揭示神经系统的复杂功能。此外，改进的记录空间分辨率允许从多个空间位置的大量神经元中更准确地识别单个神经元。因此，高通量、高密度电极在大规模神经记录中至关重要。对于传统的金属和硅电极以及新兴的顺应性电极来说，很有必要增加记录通量和密度。更高的通量可以同时记录多个大脑区域。柔性电极可以在不受探针间距限制的情况下植入，而得益于其柔韧性，甚至可以覆盖动物的整个大脑。

扩展要求：多模态记录/刺激和多区域应用

由于大脑中的神经活动非常复杂，很难获得有关大脑活动的完整信息。电生理记录只是了解大脑活动最常用的技术之一。事实上，已经有许多类型的传感器记录大脑其它活动信号，例如用于检测多巴胺或其它重要神经递质的化学传感器，用于监测电极周围脑组织生理状态的温度计，以及用于捕获钙荧光信号的光学传感器。这些传感器可以集成到微电极中，作为电生理记录的补充工具。这些传感器中的部分技术可能比电记录方法更有用。例如，钙成像能够以良好的空间分辨率同时记录数千个神经元。这种方法能可视化神经元在空间中的位置。双光子成像和内窥镜技术进一步实现对3D空间和更深的大脑区域的观察。然而，钙成像仍然面临许多挑战，例如有限的时间分辨率、浅层可观察的大脑区域和较大的植入损伤。

图3：超过1000通道的高通量电极

图4：高通量、高密度三维电极阵列示意图

图5：柔性电极堆叠方案示意图

综上所述，本文对植入式大脑皮质内电极的要求提出了新的见解。这些要求按重要性排序分为四个方面。为了更好地掌握可植入微电极的发展，本文分别讨论了这四个方面。实际上，这些方面的发展并不总是如此划分且循序。一些研究侧重于一个方面，而另一些研究则在几个方面取得了进展。可植入微电极技术目前处于开发阶段，其重点是小体积、高通量和超柔性。对于高通量电极来说，尽管据报道有几个刚性电极接近或超过10000个通道，但它们要么非常复杂，要么体积大。这些刚性电极原型仅适用于急性和有限的记录场景，并且仍有许多要求需要满足，还有不足之处需要弥补。

展望未来，在整个大脑中均匀分布记录点将是很有意义的。高通量柔性电极有望用于长期记录，然而，在实际中，可植入微电极的1000个通道并不容易实现。尽管许多电极有1000个或更多的记录位点，但只有部分位点能连接到放大器。电极互连线的体积和线宽仍然需要减小，以增加集成密度。另外，柔性电极的插入方法仍需要不断改进。一些新颖的非接触式插入技术仅可用于单电极插入的验证阶段。总之，在各项性能要求方面，可植入微电极技术虽然都有了进步，有些甚至接近理想的性能，但是要整合所有的领先技术仍存在巨大挑战。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-022-00451-6

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《医疗柔性电子技术及市场趋势-2020版》

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《给药应用的微针专利态势分析-2020版》