在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，研究者往往需要采集動物腦內(nèi)的神經(jīng)電生理信號，即神經(jīng)元放電產(chǎn)生的動作電位，或神經(jīng)核團眾多神經(jīng)元電活動形成的局部場電位。比如說，在動物執(zhí)行工作記憶任務(wù)時采集動物前額葉皮層的神經(jīng)電信號，以此來研究工作記憶的神經(jīng)機制。那么問題來了，如何才能采集或檢測到動物腦內(nèi)的神經(jīng)電信號呢？這里研究者就需要借助于神經(jīng)微電極，神經(jīng)微電極采集顱內(nèi)神經(jīng)電信號的示意圖如下所示。

在之前的一篇文章中（《為了需要我們不得不在它們腦內(nèi)植入這些東西》），小編帶大家了解了常見的神經(jīng)微電極，主要包括金屬微絲電極、玻璃微電極以及傳統(tǒng)的硅基微電極（Michigan硅基微電極和Utah硅基微電極）。沒有看過這篇文章的朋友隨后可以簡單地看一下額。

但是，隨著神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展，這些傳統(tǒng)的神經(jīng)電極在一定程度上不能滿足研究者的研究需求了，神經(jīng)科學(xué)研究者對神經(jīng)電極提出了更高的要求，這促使神經(jīng)微電極研究領(lǐng)域的快速發(fā)展。近期，發(fā)表于《Nature reviews neuroscience》雜志上一篇文章，對最新的神經(jīng)微電極技術(shù)進行了綜述[1]，而本文的主要內(nèi)容源于對這篇綜述文獻的梳理。

傳統(tǒng)的神經(jīng)微電極主要存在以下三個問題：空間分辨率低（即微電極同時只能采集少數(shù)幾個位置的神經(jīng)元放電信號）、嚴重的慢性免疫反應(yīng)（即電極的生物兼容性較差，隨著微電極植入顱內(nèi)的時間增加，微電極與腦組織之間會產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，在微電極表面會產(chǎn)生一層膠質(zhì)細胞層，從而降低了神經(jīng)放電信號采集的質(zhì)量，甚至使得微電極采集不到神經(jīng)元放電信號）以及功能單一（即微電極只能用于采集神經(jīng)電信號）。而最新的神經(jīng)微電極技術(shù)主要針對上述三個問題中的至少一種進行攻克，力求獲得某一方面的突破。接下來，小編就從這三個方面出發(fā)，帶大家了解一下神經(jīng)微電極技術(shù)的最新研究進展。

1、空間分辨率的大幅提高

在空間分辨率方面有重大突破的當屬Neuropixels神經(jīng)電極[2]。Neuropixels神經(jīng)電極的形狀為寬70 um，長10mm的針狀，在電極上分布有多達960個12 um*12 um的方形神經(jīng)電信號采集位點。研究證明，當用兩個Neuropixels神經(jīng)電極同時植入大鼠的腦內(nèi)，可以同時采集來自于5個腦區(qū)大于700個神經(jīng)元的動作電位。

此外，由比利時魯汶大學(xué)的Bogdan團隊研制的NeuroSeeker電極把神經(jīng)微電極的空間分辨率做到了極致[3]。NeuroSeeker電極為寬100 um，長8mm的針狀，其上分布有多達1356個神經(jīng)電信號采集位點，可最大化地實現(xiàn)高空間分辨率的神經(jīng)電信號采集。

但是這些神經(jīng)微電極一般采用硅基作為制造材料，生物兼容性差，并且只能用于神經(jīng)電生理信號的采集，功能單一。

2、長期穩(wěn)定性的提高

一些研究者試圖提高電極的生物兼容性和長期進行電信號記錄的穩(wěn)定性。例如，美國California San Francisco大學(xué)的Jason研究團隊以生物兼容性良好的柔性聚合物膜而不采用傳統(tǒng)的硅材料來制作神經(jīng)電極，并通過實驗證明這種神經(jīng)電極在植入動物腦內(nèi)長達283天的時間內(nèi)不會發(fā)生過于嚴重的免疫反應(yīng)，可以持續(xù)不斷地檢測到神經(jīng)元的動作電位[4]。

3、多功能神經(jīng)微電極

隨著神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展，研究者對神經(jīng)微電極的要求也不再僅僅局限于記錄神經(jīng)元的動作電位，而是希望在滿足基本的記錄功能的基礎(chǔ)上，增加其他的功能。例如，集成有微流體通道的神經(jīng)微電極，如下圖所示[5]。

還有研究者在神經(jīng)微電極上集成LED光刺激位點，可實現(xiàn)對神經(jīng)信號進行光刺激的同時采集神經(jīng)電信號[6]，如下圖所示。

總而言之，目前神經(jīng)微電極技術(shù)主要向著高空間分辨率、長期穩(wěn)定性和多功能化三個方面發(fā)展，我們可以預(yù)期，未來的神經(jīng)微電極將同時具有這三種特性，為神經(jīng)科學(xué)家提供前所未有的新穎的研究工具。

參考資料

[1]Guosong Hong&Charles M.Lieber.Novel electrode technologies for neural recordings.Nature Reviews Neuroscience(2019)

[2]Jun J J,Steinmetz N A,Siegle J H,et al.Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity.Nature,2017,551(7679):232-236.

[3]Raducanu B C,Yazicioglu R F,Lopez C M,et al.Time Multiplexed Active Neural Probe with 1356 Parallel Recording Sites.Sensors,2017,17(10):2388.

[4]Chung,J.E.et al.High-density,long-lasting,and multiregion electrophysiological recordings using polymer electrode arrays.Neuron 101,21–31(2019).

[5]Spieth S,Brett O,Seidl K,et al.A floating 3D silicon microprobe array for neural drug delivery compatible with electrical recording[J].Journal of Micromechanics&Microengineering,2011,21(12):125001-125016(125016).

[6]Kanno S,Lee S,Harashima T,et al.Multiple optical stimulation to neuron using Si opto-neural probe with multiple optical waveguides and metal-cover for optogenetics[C],2013:253-256.