在神经科学领域，研究者往往需要采集动物脑内的神经电生理信号，即神经元放电产生的动作电位，或神经核团众多神经元电活动形成的局部场电位。比如说，在动物执行工作记忆任务时采集动物前额叶皮层的神经电信号，以此来研究工作记忆的神经机制。那么问题来了，如何才能采集或检测到动物脑内的神经电信号呢？这里研究者就需要借助于神经微电极，神经微电极采集颅内神经电信号的示意图如下所示。



在之前的一篇文章中（《为了需要我们不得不在它们脑内植入这些东西》），小编带大家了解了常见的神经微电极，主要包括金属微丝电极、玻璃微电极以及传统的硅基微电极（Michigan硅基微电极和Utah硅基微电极）。没有看过这篇文章的朋友随后可以简单地看一下额。


但是，随着神经科学的快速发展，这些传统的神经电极在一定程度上不能满足研究者的研究需求了，神经科学研究者对神经电极提出了更高的要求，这促使神经微电极研究领域的快速发展。近期，发表于《Nature reviews neuroscience》杂志上一篇文章，对最新的神经微电极技术进行了综述[1]，而本文的主要内容源于对这篇综述文献的梳理。


传统的神经微电极主要存在以下三个问题：空间分辨率低（即微电极同时只能采集少数几个位置的神经元放电信号）、严重的慢性免疫反应（即电极的生物兼容性较差，随着微电极植入颅内的时间增加，微电极与脑组织之间会产生炎症反应，在微电极表面会产生一层胶质细胞层，从而降低了神经放电信号采集的质量，甚至使得微电极采集不到神经元放电信号）以及功能单一（即微电极只能用于采集神经电信号）。而最新的神经微电极技术主要针对上述三个问题中的至少一种进行攻克，力求获得某一方面的突破。接下来，小编就从这三个方面出发，带大家了解一下神经微电极技术的最新研究进展。


1、空间分辨率的大幅提高


在空间分辨率方面有重大突破的当属Neuropixels神经电极[2]。Neuropixels神经电极的形状为宽70 um，长10mm的针状，在电极上分布有多达960个12 um*12 um的方形神经电信号采集位点。研究证明，当用两个Neuropixels神经电极同时植入大鼠的脑内，可以同时采集来自于5个脑区大于700个神经元的动作电位。




此外，由比利时鲁汶大学的Bogdan团队研制的NeuroSeeker电极把神经微电极的空间分辨率做到了极致[3]。NeuroSeeker电极为宽100 um，长8mm的针状，其上分布有多达1356个神经电信号采集位点，可最大化地实现高空间分辨率的神经电信号采集。



但是这些神经微电极一般采用硅基作为制造材料，生物兼容性差，并且只能用于神经电生理信号的采集，功能单一。


2、长期稳定性的提高


一些研究者试图提高电极的生物兼容性和长期进行电信号记录的稳定性。例如，美国California San Francisco大学的Jason研究团队以生物兼容性良好的柔性聚合物膜而不采用传统的硅材料来制作神经电极，并通过实验证明这种神经电极在植入动物脑内长达283天的时间内不会发生过于严重的免疫反应，可以持续不断地检测到神经元的动作电位[4]。



3、多功能神经微电极


随着神经科学的快速发展，研究者对神经微电极的要求也不再仅仅局限于记录神经元的动作电位，而是希望在满足基本的记录功能的基础上，增加其他的功能。例如，集成有微流体通道的神经微电极，如下图所示[5]。



还有研究者在神经微电极上集成LED光刺激位点，可实现对神经信号进行光刺激的同时采集神经电信号[6]，如下图所示。



总而言之，目前神经微电极技术主要向着高空间分辨率、长期稳定性和多功能化三个方面发展，我们可以预期，未来的神经微电极将同时具有这三种特性，为神经科学家提供前所未有的新颖的研究工具。


参考资料


[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.