植入式多通道神經(jīng)微電極的發(fā)展

　　摘 要 人類的大腦約由800億神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成，這些神經(jīng)元之間的連接將大腦組成了一個(gè)超復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，要研究大腦的功能機(jī)制，破譯其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息編碼原理，一個(gè)重要的方法是在大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)觀察、記錄盡可能多的單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)信號(hào)。植入式多通道神經(jīng)微電極作為一種可實(shí)時(shí)記錄多個(gè)神經(jīng)元峰電位信號(hào)的器件，在神經(jīng)信號(hào)的時(shí)間分辨率和設(shè)備的便捷性方面有著其它神經(jīng)成像技術(shù)不可替代的優(yōu)點(diǎn)。在不影響大腦功能甚至動(dòng)物行為的前提下，為了在大腦中植入通道數(shù)更多的電極，需要在植入式多通道電極的材料、結(jié)構(gòu)、集成方式和植入及封裝方法等方面不斷地進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新和優(yōu)化。本文簡(jiǎn)要回顧了多通道微電極技術(shù)的發(fā)展歷史，重點(diǎn)介紹了采用微加工技術(shù)制備植入式多通道微電極的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞 植入式神經(jīng)微電極; 微加工技術(shù); 微通道電極; 薄膜電極; 電極陣列; 評(píng)述

　　1 引 言

　　18世紀(jì)末，意大利生理學(xué)家在蛙腿標(biāo)本首次觀察到生物電信號(hào)。19世紀(jì)初，神經(jīng)的靜息電位和動(dòng)作電位被直接測(cè)量到。神經(jīng)元電信號(hào)實(shí)際上是神經(jīng)元細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)不同帶電離子濃度差造成的電位差，維持及改變電位差是神經(jīng)元最基本的產(chǎn)生、傳遞和處理信息的基本方式。

　　神經(jīng)元是大腦的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，當(dāng)神經(jīng)元被激活時(shí)，其膜電位會(huì)發(fā)生快速的特征性變化，稱為峰電位(Spike potential， SP)或動(dòng)作電位(Action potential， AP)，峰電位的持續(xù)時(shí)間約1 ms。神經(jīng)元活動(dòng)水平越高，其發(fā)放峰電位的頻率也越高。對(duì)單個(gè)神經(jīng)元來說，其峰電位的幅值是固定不變的。采用細(xì)胞內(nèi)記錄方法采集的最大電位波動(dòng)可達(dá)到100 mV; 細(xì)胞外記錄方法可采集的最大電位波動(dòng)約為1 mV。 胞內(nèi)記錄需要使用電極對(duì)單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行操作，技術(shù)難度大，難以同時(shí)記錄多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的電信號(hào)，限制了其在多通道記錄方面的應(yīng)用。相對(duì)于胞內(nèi)記錄，胞外記錄盡管獲得的信號(hào)幅度小，但卻不需要進(jìn)行單個(gè)細(xì)胞操作，在保持較小植入損傷的前提下，可在活體動(dòng)物內(nèi)長(zhǎng)期追蹤神經(jīng)元的放電活動(dòng)[1～3]，并且在記錄通道數(shù)方面具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

　　植入式神經(jīng)微電極是將以離子為載體的神經(jīng)電信號(hào)轉(zhuǎn)化成以電子為載體的電流或電壓信號(hào)的傳感器件。神經(jīng)電極通常由金屬材料制成，為了傳感測(cè)量神經(jīng)組織中局部區(qū)域(單個(gè)細(xì)胞或神經(jīng)元群體)的電勢(shì)變化，需要對(duì)暴露在體液中電極的面積進(jìn)行限制，方法是僅留出一定的電極面積與體液中的離子接觸，其它部分則通過鍍覆絕緣層的方法與體液隔絕。

　　暴露在絕緣層外的電極面積，通常稱為記錄點(diǎn)或電極位點(diǎn)。當(dāng)用作胞外記錄的植入式神經(jīng)微電極放置在神經(jīng)元附近時(shí)，伴隨著神經(jīng)元活動(dòng)，記錄點(diǎn)位置處的離子濃度產(chǎn)生變化，進(jìn)而引起電極電位的變化，由此記錄到神經(jīng)元的電活動(dòng)信號(hào)。記錄點(diǎn)的大小和界面阻抗[4，5]決定了其所能記錄到的神經(jīng)信號(hào)的特征和信噪比。通常，為記錄單個(gè)神經(jīng)元的峰電位信號(hào)，記錄點(diǎn)的大小應(yīng)與神經(jīng)元的尺寸相當(dāng)或更小。

　　因此，胞外記錄電極位點(diǎn)的大小通常在幾十微米以下，但由于電極本底噪聲的限制，電極記錄點(diǎn)的面積不能無限縮小，目前報(bào)道的最小記錄點(diǎn)面積為3 μm ×1.5 μm[6]。 對(duì)于相同面積大小的電極，阻抗越低，所記錄到的信號(hào)質(zhì)量越好，對(duì)電極表面進(jìn)行材料改性或界面修飾[7～9]可大幅降低界面阻抗，改善電極的信噪比。

　　胞外記錄的多通道神經(jīng)微電極可同步記錄自由活動(dòng)的動(dòng)物或人的神經(jīng)信號(hào)，經(jīng)常用于研究神經(jīng)活動(dòng)和行為之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。記錄到的神經(jīng)元數(shù)量越多，找出兩者之間確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的可能性就越大，Alivisatos等[10]還在Cell Press上撰文提議要記錄“每個(gè)神經(jīng)元的每個(gè)動(dòng)作電位”。為了增加可同時(shí)植入大腦的神經(jīng)電極的通道數(shù)，首先需將單個(gè)胞外記錄電極的器件尺寸降低到最小; 其次，需選擇適當(dāng)?shù)慕M裝和封裝方法，將多個(gè)通道連接并集成在一起，裝配到一個(gè)可與放大電路連接的接口上。

　　到目前為止，植入式多通道微電極的通道數(shù)量已從上世紀(jì)的數(shù)十通道發(fā)展到上千通道[11～16]; 多通道記錄電極的材料、結(jié)構(gòu)、集成方式和封裝工藝也從最初的金屬微絲電極陣列，發(fā)展到現(xiàn)在的以硅材料為代表、微納加工制備方法為主，多種材質(zhì)和電極結(jié)構(gòu)并存。

　　本文圍繞植入式胞外多通道神經(jīng)微電極的材料、制備工藝、通道數(shù)量規(guī)模及功能特點(diǎn)，評(píng)述基于金屬、硅和聚合物等多種材質(zhì)電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制備方法，梳理基于微絲(針)和薄膜兩種電極的發(fā)展過程和現(xiàn)狀，總結(jié)集成了放大電路等功能單元的作用和效果[17～19]，并對(duì)植入式多通道神經(jīng)微電極未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。

　　2 多通道微絲電極

　　微絲電極，或者稱為針狀電極，是將細(xì)絲或針的最前端暴露作為記錄點(diǎn)，是最早出現(xiàn)的胞外記錄電極類型之一，一般由包裹了絕緣材料的金屬材料制備而成[20]，這種電極的特點(diǎn)是一根微絲(針)上只有一個(gè)記錄點(diǎn)。神經(jīng)電極的絕緣材料要求具有低的介電常數(shù)、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的防水性以及良好的生物相容性，一般采用玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene， PTFE)、聚酰亞胺(Polyimide， PI)或聚對(duì)二甲苯(Parylene)等作為電極絕緣材料。常用的電極導(dǎo)電材料有鎳鉻合金、鎢(W)、金(Au)、鉑(Pt)、銥(Ir)等貴金屬材料，這些材料電導(dǎo)率大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能長(zhǎng)期在體液環(huán)境中工作。早在20世紀(jì)50年代， Strumwasser等[21]利用直徑80 μm的不銹鋼神經(jīng)電極記錄了松鼠的神經(jīng)電信號(hào)。

　　Sonnhof等[22]制備了玻璃絕緣的鎢絲電極，通過飽和KNO2腐蝕，將鎢絲記錄點(diǎn)前端變細(xì)，在減小損傷的同時(shí)提高了對(duì)單個(gè)神經(jīng)元放電的分辯能力，在貓的腦干區(qū)域清晰記錄到了調(diào)控后的神經(jīng)元放電。為了增加可同時(shí)記錄神經(jīng)元的數(shù)量，Tsai等[23]建立了8導(dǎo)和16導(dǎo)多通道金屬絲神經(jīng)電極陣列，其制備方法是將PTFE絕緣后的金屬微絲按照預(yù)設(shè)的間距手工組裝排布，固定后焊接在電極接口上，得到了間距為200～300 μm的8通道垂直電極和間距為400～500 μm的16通道平面電極。到目前為止，利用直徑12 ～30 μm預(yù)制好的電極絲材料，通過截?cái)嗪徒M裝的方法制作而成的通道數(shù)16～32導(dǎo)的電極陣列仍在實(shí)驗(yàn)室廣泛使用[24]。將金屬微絲排布成通道數(shù)更多陣列的操作較為困難，如唐世明[25]利用金屬微絲排布了上百通道的高密度電極陣列。

　　在制備方法中，手工操作的比例較大，制備合格的電極需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員。為了使金屬電極的排布標(biāo)準(zhǔn)化，F(xiàn)ofonoff等[26]采用火花放電及線切割加工方法，在塊狀金屬鈦上以減法的形式加工出電極陣列，然后通過化學(xué)腐蝕、針體絕緣、針尖暴露等工藝，最后形成100通道數(shù)目的微絲電極陣列，如圖1A所示。此時(shí)，所有的針狀電極的根部都還連接在金屬底座上，因此，無論多通道電極陣列的規(guī)模有多大，電極與電極之間的間距一致性將得到保障。這時(shí)還需在電極根部填充絕緣材料，以固定陣列，并使得陣列間的各通道相互絕緣。最后，通過線切割，將金屬塊狀襯底去除，制備成通道數(shù)規(guī)模在100導(dǎo)左右、間距和電極形狀一致性都很好的金屬微針電極陣列。

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