在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，研究者往往需要采集動(dòng)物腦內(nèi)的神經(jīng)電生理信號(hào)，即神經(jīng)元放電產(chǎn)生的動(dòng)作電位，或神經(jīng)核團(tuán)眾多神經(jīng)元電活動(dòng)形成的局部場(chǎng)電位。比如說，在動(dòng)物執(zhí)行工作記憶任務(wù)時(shí)采集動(dòng)物前額葉皮層的神經(jīng)電信號(hào)，以此來研究工作記憶的神經(jīng)機(jī)制。那么問題來了，如何才能采集或檢測(cè)到動(dòng)物腦內(nèi)的神經(jīng)電信號(hào)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(hào)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(jiǎn)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(duì)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(duì)最新的神經(jīng)微電極技術(shù)進(jìn)行了綜述[1]，而本文的主要內(nèi)容源于對(duì)這篇綜述文獻(xiàn)的梳理。

傳統(tǒng)的神經(jīng)微電極主要存在以下三個(gè)問題：空間分辨率低（即微電極同時(shí)只能采集少數(shù)幾個(gè)位置的神經(jīng)元放電信號(hào)）、嚴(yán)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(shí)間增加，微電極與腦組織之間會(huì)產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，在微電極表面會(huì)產(chǎn)生一層膠質(zhì)細(xì)胞層，從而降低了神經(jīng)放電信號(hào)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(hào)）以及功能單一（即微電極只能用于采集神經(jīng)電信號(hào)）。而最新的神經(jīng)微電極技術(shù)主要針對(duì)上述三個(gè)問題中的至少一種進(jìn)行攻克，力求獲得某一方面的突破。接下來，小編就從這三個(gè)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(jìn)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(dāng)屬Neuropixels神經(jīng)電極[2]。Neuropixels神經(jīng)電極的形狀為寬70 um，長(zhǎng)10mm的針狀，在電極上分布有多達(dá)960個(gè)12 um*12 um的方形神經(jīng)電信號(hào)采集位點(diǎn)。研究證明，當(dāng)用兩個(gè)Neuropixels神經(jīng)電極同時(shí)植入大鼠的腦內(nèi)，可以同時(shí)采集來自于5個(gè)腦區(qū)大于700個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位。

此外，由比利時(shí)魯汶大學(xué)的Bogdan團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)8mm的針狀，其上分布有多達(dá)1356個(gè)神經(jīng)電信號(hào)采集位點(diǎn)，可最大化地實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的神經(jīng)電信號(hào)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(hào)的采集，功能單一。

2、長(zhǎng)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(zhǎng)期進(jìn)行電信號(hào)記錄的穩(wěn)定性。例如，美國(guó)California San Francisco大學(xué)的Jason研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)證明這種神經(jīng)電極在植入動(dòng)物腦內(nèi)長(zhǎng)達(dá)283天的時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生過于嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，可以持續(xù)不斷地檢測(cè)到神經(jīng)元的動(dòng)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(duì)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(dòng)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行光刺激的同時(shí)采集神經(jīng)電信號(hào)[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(zhǎng)期穩(wěn)定性和多功能化三個(gè)方面發(fā)展，我們可以預(yù)期，未來的神經(jīng)微電極將同時(shí)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.