植入式多通道神经微电极的发展

　　摘 要 人类的大脑约由800亿神经细胞构成，这些神经元之间的连接将大脑组成了一个超复杂的神经网络，要研究大脑的功能机制，破译其神经网络的信息编码原理，一个重要的方法是在大脑神经元网络中，同时观察、记录尽可能多的单个神经元活动信号。植入式多通道神经微电极作为一种可实时记录多个神经元峰电位信号的器件，在神经信号的时间分辨率和设备的便捷性方面有着其它神经成像技术不可替代的优点。在不影响大脑功能甚至动物行为的前提下，为了在大脑中植入通道数更多的电极，需要在植入式多通道电极的材料、结构、集成方式和植入及封装方法等方面不断地进行改进创新和优化。本文简要回顾了多通道微电极技术的发展历史，重点介绍了采用微加工技术制备植入式多通道微电极的发展历程和研究现状，对未来的发展趋势进行了展望。

　　关键词 植入式神经微电极; 微加工技术; 微通道电极; 薄膜电极; 电极阵列; 评述

　　1 引 言

　　18世纪末，意大利生理学家在蛙腿标本首次观察到生物电信号。19世纪初，神经的静息电位和动作电位被直接测量到。神经元电信号实际上是神经元细胞膜内外两侧不同带电离子浓度差造成的电位差，维持及改变电位差是神经元最基本的产生、传递和处理信息的基本方式。

　　神经元是大脑的基本结构和功能单位，当神经元被激活时，其膜电位会发生快速的特征性变化，称为峰电位(Spike potential， SP)或动作电位(Action potential， AP)，峰电位的持续时间约1 ms。神经元活动水平越高，其发放峰电位的频率也越高。对单个神经元来说，其峰电位的幅值是固定不变的。采用细胞内记录方法采集的最大电位波动可达到100 mV; 细胞外记录方法可采集的最大电位波动约为1 mV。 胞内记录需要使用电极对单个神经细胞进行操作，技术难度大，难以同时记录多个神经细胞的电信号，限制了其在多通道记录方面的应用。相对于胞内记录，胞外记录尽管获得的信号幅度小，但却不需要进行单个细胞操作，在保持较小植入损伤的前提下，可在活体动物内长期追踪神经元的放电活动[1～3]，并且在记录通道数方面具有很强的可扩展性。

　　植入式神经微电极是将以离子为载体的神经电信号转化成以电子为载体的电流或电压信号的传感器件。神经电极通常由金属材料制成，为了传感测量神经组织中局部区域(单个细胞或神经元群体)的电势变化，需要对暴露在体液中电极的面积进行限制，方法是仅留出一定的电极面积与体液中的离子接触，其它部分则通过镀覆绝缘层的方法与体液隔绝。

　　暴露在绝缘层外的电极面积，通常称为记录点或电极位点。当用作胞外记录的植入式神经微电极放置在神经元附近时，伴随着神经元活动，记录点位置处的离子浓度产生变化，进而引起电极电位的变化，由此记录到神经元的电活动信号。记录点的大小和界面阻抗[4，5]决定了其所能记录到的神经信号的特征和信噪比。通常，为记录单个神经元的峰电位信号，记录点的大小应与神经元的尺寸相当或更小。

　　因此，胞外记录电极位点的大小通常在几十微米以下，但由于电极本底噪声的限制，电极记录点的面积不能无限缩小，目前报道的最小记录点面积为3 μm ×1.5 μm[6]。 对于相同面积大小的电极，阻抗越低，所记录到的信号质量越好，对电极表面进行材料改性或界面修饰[7～9]可大幅降低界面阻抗，改善电极的信噪比。

　　胞外记录的多通道神经微电极可同步记录自由活动的动物或人的神经信号，经常用于研究神经活动和行为之间的对应关系。记录到的神经元数量越多，找出两者之间确定对应关系的可能性就越大，Alivisatos等[10]还在Cell Press上撰文提议要记录“每个神经元的每个动作电位”。为了增加可同时植入大脑的神经电极的通道数，首先需将单个胞外记录电极的器件尺寸降低到最小; 其次，需选择适当的组装和封装方法，将多个通道连接并集成在一起，装配到一个可与放大电路连接的接口上。

　　到目前为止，植入式多通道微电极的通道数量已从上世纪的数十通道发展到上千通道[11～16]; 多通道记录电极的材料、结构、集成方式和封装工艺也从最初的金属微丝电极阵列，发展到现在的以硅材料为代表、微纳加工制备方法为主，多种材质和电极结构并存。

　　本文围绕植入式胞外多通道神经微电极的材料、制备工艺、通道数量规模及功能特点，评述基于金属、硅和聚合物等多种材质电极的结构特点和制备方法，梳理基于微丝(针)和薄膜两种电极的发展过程和现状，总结集成了放大电路等功能单元的作用和效果[17～19]，并对植入式多通道神经微电极未来的发展趋势进行了分析和预测。

　　2 多通道微丝电极

　　微丝电极，或者称为针状电极，是将细丝或针的最前端暴露作为记录点，是最早出现的胞外记录电极类型之一，一般由包裹了绝缘材料的金属材料制备而成[20]，这种电极的特点是一根微丝(针)上只有一个记录点。神经电极的绝缘材料要求具有低的介电常数、稳定的化学性质、优异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)、聚酰亚胺(Polyimide， PI)或聚对二甲苯(Parylene)等作为电极绝缘材料。常用的电极导电材料有镍铬合金、钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、铱(Ir)等贵金属材料，这些材料电导率大，化学性质稳定，能长期在体液环境中工作。早在20世纪50年代， Strumwasser等[21]利用直径80 μm的不锈钢神经电极记录了松鼠的神经电信号。

　　Sonnhof等[22]制备了玻璃绝缘的钨丝电极，通过饱和KNO2腐蚀，将钨丝记录点前端变细，在减小损伤的同时提高了对单个神经元放电的分辩能力，在猫的脑干区域清晰记录到了调控后的神经元放电。为了增加可同时记录神经元的数量，Tsai等[23]建立了8导和16导多通道金属丝神经电极阵列，其制备方法是将PTFE绝缘后的金属微丝按照预设的間距手工组装排布，固定后焊接在电极接口上，得到了间距为200～300 μm的8通道垂直电极和间距为400～500 μm的16通道平面电极。到目前为止，利用直径12 ～30 μm预制好的电极丝材料，通过截断和组装的方法制作而成的通道数16～32导的电极阵列仍在实验室广泛使用[24]。将金属微丝排布成通道数更多阵列的操作较为困难，如唐世明[25]利用金属微丝排布了上百通道的高密度电极阵列。

　　在制备方法中，手工操作的比例较大，制备合格的电极需要经验丰富的操作人员。为了使金属电极的排布标准化，Fofonoff等[26]采用火花放电及线切割加工方法，在块状金属钛上以减法的形式加工出电极阵列，然后通过化学腐蚀、针体绝缘、针尖暴露等工艺，最后形成100通道数目的微丝电极阵列，如图1A所示。此时，所有的针状电极的根部都还连接在金属底座上，因此，无论多通道电极阵列的规模有多大，电极与电极之间的间距一致性将得到保障。这时还需在电极根部填充绝缘材料，以固定阵列，并使得阵列间的各通道相互绝缘。最后，通过线切割，将金属块状衬底去除，制备成通道数规模在100导左右、间距和电极形状一致性都很好的金属微针电极阵列。

　　推荐阅读：《林产化学与工业》创刊于1981年，主管部门国家林业局，由中国林学会林产化学化工分会、中国林科院林产化学工业研究所主办，中国金龙松香集团公司、福建省三林松香进出口有限公司协办，为全国林产化工行业唯一的学术类季刊。