微電極是最常用的腦部植入物之一，主要用于記錄或刺激腦內的單個神經元或神經元網絡。腦內植入式微電極的長期功能性，對于皮質神經假體等應用以及疾病進展、學習記憶、神經元網絡發育等長期神經生物學研究至關重要。然而，傳統的微電極技術存在性能不穩定問題，在長期實驗中缺乏可靠性，利用傳統固定式微電極獲取的多單元信號質量通常會隨時間下降，并且大部分器件會在數周至數年內完全失效。此外，同類型微電極的有效工作時長也存在顯著個體差異。因此，新一代神經假體裝置的關鍵要求之一是能夠實現長期穩定的高質量神經信號記錄。
據麥姆斯咨詢報道，近期，美國亞利桑那州立大學（Arizona State University）、桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的研究團隊提出一種基于微機電系統（MEMS）的可移動微電極技術，該技術能夠在神經信號質量下降時移動微電極以獲取新的神經元信號。利用微尺度電熱執行器，植入后的微電極可實現約9 μm步長的精確位移控制。實驗結果表明，基于MEMS的可移動微電極能夠有效提升嚙齒類動物長期神經信號記錄質量，未來隨著封裝和手術技術的改進，該技術有望在長期實驗中實現穩定的皮層神經信號記錄。相關研究成果以“Long-term neural recordings using MEMS based movable microelectrodes in the brain”為題發表在Frontiers in Neuroengineering期刊上。
該研究團隊此前已經開發了兩種基于MEMS的植入式微技術，以滿足對小型、輕便、可移動微電極的需求，這些微電極能夠在大腦內自主移動，并在短期嚙齒動物實驗中記錄多單元信號。在最新的這項工作中，研究團隊提出一種采用電熱執行器的MEMS可移動微電極陣列，通過施加低壓方波脈沖來實現植入后的雙向移動。利用SUMMiT V?（Sandia超平面多級MEMS技術，具有5層多晶硅）工藝，在每個芯片上通過表面微加工技術制備三個由電熱執行器控制移動的多晶硅微電極，單電極尺寸為50 μm × 4 μm × 5 mm，芯片內電極間距約為800 μm，整個芯片尺寸為3 mm × 600 μm × 6 mm。
圖1 基于MEMS的可移動微電極裝置的光學顯微照片與掃描電子顯微鏡（SEM）圖像
圖2 電熱執行器原理及微電極雙向移動機制示意圖
為了驗證這種可移動微電極在長期實驗中的功能性神經記錄能力，研究團隊將12個可移動微電極分別植入成年大鼠體內（包括2個對照樣本）。植入后3周內的實驗數據表明，移動操作可使所有微電極的平均信噪比（SNR）從14.61±5.21 dB提升至18.13±4.99 dB，噪聲振幅的均方根值（RMS）在移動前后保持穩定（移動前2.98±1.22 μV，移動后3.01±1.16 μV）。3周之后，主要失效模式為基于PMMA的顱骨固定裝置發生了生物排異反應，導致植入裝置松動脫落。即便如此，在此期間的移動操作仍能顯著提升微電極的信噪比（移動前11.88±2.02 dB，移動后13.34±0.919 dB，p<0.01）。
圖3 植入大鼠頭部的微電極封裝裝置
圖4 微電極移動前后的原始神經多單元信號對比（3秒數據快照）：（A）移動前；（B）移動后
圖5 微電極移動前后的平均噪聲水平（植入后3周內）
這項研究驗證了基于MEMS的可移動微電極用于大腦皮層長期神經信號記錄的可行性，該技術能有效提升長期神經記錄的信噪比。研究團隊表示，通過優化微電極封裝工藝和手術固定技術，這種可移動微電極有望實現大腦皮層區域持續數年的高質量神經信號記錄，為神經假體與慢性神經科學研究提供重要技術支撐。
論文信息：
https://doi.org/10.3389/fneng.2010.00010
