可植入大腦皮質內的微電極可以記錄神經元快速變化的動作電位（尖峰）。人體神經活動記錄方法要么具有高的時間分辨率，要么具有高的空間分辨率，不會兩者兼備。如今，人體長時間記錄更多神經元的需求越來越大。然而，在實現長期、穩定、高質量的記錄以及實現全面、準確的大腦活動分析之前，仍有許多挑戰需要克服。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗的研究人員在《微系統與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊上發表了題為“Implantable intracortical microelectrodes: reviewing the present with a focus on the future”的綜述論文，他們從各個方面給出了可植入微電極的挑戰和當前可能的解決方案，分析和總結了微電極技術的發展現狀。

基于理想的可植入皮質內微電極裝置的要求，本綜述分為四個方面，每方面討論一個可植入電極的重要特征，這四個方面按可植入皮質內微電極重要性順序進行介紹，并漸進式展開，同時簡要回顧了與每個方面相關的進展和挑戰。本綜述還討論了可植入微電極當前的技術挑戰和相應的解決方案（良好的順應性、最小化體積和高通量）。具體介紹了在一個或多個方面滿足理想微電極期望的一些新技術。這些方法和策略有可能成為下一代可植入微電極的關鍵技術。

基本要求：高質量的記錄能力

可植入微電極最基本的功能是獲取神經元的電生理信號，尤其是神經電活動的基本單元——尖峰脈沖。高質量的記錄信號對于準確評估神經元活動至關重要。信號質量體現在如信噪比（SNR）、單個單元記錄能力和長期記錄能力等幾個指標上。其中，單個單元記錄能力和長期記錄能力都與信噪比有關。

必要要求：穩定、長期的記錄能力

作為用于體內應用的裝置，可植入電極應能夠長時間穩定工作，最好陪伴用戶度過整個生命周期。這種穩定性可分為兩個部分。第一部分是電極本身在細胞外液環境中應該是穩定的。絕緣材料和導電材料應牢固結合。穩定性的第二個部分是裝置應與組織生物相容。生物相容性要求制造過程中使用的所有材料都是無毒的。電極通常由具有化學穩定性、無生物毒性和良好導電性的金屬制成，例如鉑、銥、金、鎢和不銹鋼等。硅、二氧化硅和聚合物通常用作電極封裝材料。生物相容性還要求可植入電極引起的組織免疫反應最小。

圖1：超小體積的柔性電極

圖2：順應性電極與輔助工具的組合方式

關鍵要求：高通量、高密度的記錄能力

為了確定大腦的某些功能，有必要同時監測多個大腦區域的大量神經元。多電極記錄可以深入了解多個神經元之間的相互作用，有助于掌握神經活動的基本原理，并揭示神經系統的復雜功能。此外，改進的記錄空間分辨率允許從多個空間位置的大量神經元中更準確地識別單個神經元。因此，高通量、高密度電極在大規模神經記錄中至關重要。對于傳統的金屬和硅電極以及新興的順應性電極來說，很有必要增加記錄通量和密度。更高的通量可以同時記錄多個大腦區域。柔性電極可以在不受探針間距限制的情況下植入，而得益于其柔韌性，甚至可以覆蓋動物的整個大腦。

擴展要求：多模態記錄/刺激和多區域應用

由于大腦中的神經活動非常復雜，很難獲得有關大腦活動的完整信息。電生理記錄只是了解大腦活動最常用的技術之一。事實上，已經有許多類型的傳感器記錄大腦其它活動信號，例如用于檢測多巴胺或其它重要神經遞質的化學傳感器，用于監測電極周圍腦組織生理狀態的溫度計，以及用于捕獲鈣熒光信號的光學傳感器。這些傳感器可以集成到微電極中，作為電生理記錄的補充工具。這些傳感器中的部分技術可能比電記錄方法更有用。例如，鈣成像能夠以良好的空間分辨率同時記錄數千個神經元。這種方法能可視化神經元在空間中的位置。雙光子成像和內窺鏡技術進一步實現對3D空間和更深的大腦區域的觀察。然而，鈣成像仍然面臨許多挑戰，例如有限的時間分辨率、淺層可觀察的大腦區域和較大的植入損傷。

圖3：超過1000通道的高通量電極

圖4：高通量、高密度三維電極陣列示意圖

圖5：柔性電極堆疊方案示意圖

綜上所述，本文對植入式大腦皮質內電極的要求提出了新的見解。這些要求按重要性排序分為四個方面。為了更好地掌握可植入微電極的發展，本文分別討論了這四個方面。實際上，這些方面的發展并不總是如此劃分且循序。一些研究側重于一個方面，而另一些研究則在幾個方面取得了進展。可植入微電極技術目前處于開發階段，其重點是小體積、高通量和超柔性。對于高通量電極來說，盡管據報道有幾個剛性電極接近或超過10000個通道，但它們要么非常復雜，要么體積大。這些剛性電極原型僅適用于急性和有限的記錄場景，并且仍有許多要求需要滿足，還有不足之處需要彌補。

展望未來，在整個大腦中均勻分布記錄點將是很有意義的。高通量柔性電極有望用于長期記錄，然而，在實際中，可植入微電極的1000個通道并不容易實現。盡管許多電極有1000個或更多的記錄位點，但只有部分位點能連接到放大器。電極互連線的體積和線寬仍然需要減小，以增加集成密度。另外，柔性電極的插入方法仍需要不斷改進。一些新穎的非接觸式插入技術僅可用于單電極插入的驗證階段。總之，在各項性能要求方面，可植入微電極技術雖然都有了進步，有些甚至接近理想的性能，但是要整合所有的領先技術仍存在巨大挑戰。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00451-6

審核編輯 ：李倩