神經通信涉及化學信號和電信號的協同作用，其中神經遞質在不同的時間尺度上運作并相互作用，以實現特定大腦功能的調控。要加深對這些錯綜復雜交流機制的理解，需要多模態植入式神經探針——其能夠長期穩定地同步監測多個大腦區域的電生理信號和多種神經遞質在不同時間尺度的化學動態變化。通過闡明電信號和化學信號之間的相互作用機制，這些信號在神經和精神疾病發病機制中的作用，以及電刺激神經傳遞和神經調控功效的基礎機制，神經探針有望徹底改變我們對神經科學基本原理的理解。這些基礎認識的突破，對于實現針對一系列神經和精神疾?。ɡ缗两鹕 ⒁钟舭Y和癲癇）的治療干預至關重要。
微電極陣列（Microelectrode array，MEA）已被廣泛用于記錄不同腦深度和寬度的單神經元分辨率的神經生理活動，并能在數周至數年內保持功能性。然而，堅硬的硅基微電極陣列植入物會形成一個“殺傷區”，其特征是神經元密度降低，膠質包裹增加，從而在長期使用過程中影響電生理和神經化學測量。植入物不穩定存在多種原因，包括異物反應、神經退行變性、材料退化以及腦組織和植入物之間的機械不匹配等。
此外，傳統的微電極陣列通常采用金屬微電極（例如金、鉑、銥），這些電極對多巴胺（DA）、血清素或5-羥色胺（5-HT）和腺苷（AD）等電活性神經遞質的敏感性較差。
過去十年來，業界一直致力于調整微電極陣列的導電和絕緣組件的結構、功能和尺寸特性，以獲得適當的化學和電學特性，并使其機械特性與神經系統相匹配。值得注意的是，聚酰亞胺等微米級聚合物已被用作柔性微電極陣列基底，以模擬軟性腦組織的機械特性，從而最大限度地減少永久性機械創傷和炎癥。這些柔性、亞細胞尺度的微電極陣列已證明能與神經組織無縫整合，從而實現長期穩定的記錄。此外，要實現高信噪比、長期電性能和穩定的電化學檢測，必須仔細選擇導電電極材料。各種材料涂層，例如氧化銥、納米鉑和導電聚合物等，已被用于降低阻抗、增強金屬基微電極陣列的電荷轉移能力。最近，通過對柔性微電極陣列進行定制功能化，實現了對電活性和非電活性神經遞質的電化學檢測。
據麥姆斯咨詢介紹，美國路易斯安那理工大學、路易斯安那州立大學和匹茲堡大學的研究人員在Biosensors期刊上發表了一篇題為“Recent Progress in Flexible Microelectrode Arrays for Combined Electrophysiological and Electrochemical Sensing”的綜述性文章。該綜述總結了柔性微電極陣列制造和功能化方面的最新進展，以實現以下目標：（1）多時間尺度神經遞質檢測；（2）融合電生理和電化學傳感的柔性微電極陣列功能化策略，包括（a）復合涂層、（b）酶和適配體的整合；（3）在柔性微電極陣列上集成碳電極；（4）從單個器件獲取電化學和電生理測量結果。
文章重點介紹了設計用于神經活動電生理和電化學監測的柔性微電極陣列的最新進展。這些發展包括在多個時間尺度上整合神經遞質檢測的策略，實現多種分析物的同時檢測，以及采用盡量減少傳感器污染和腦損傷的方法以實現長期性能。
采用導電聚合物和復合涂層的微電極陣列，用于電生理記錄和神經遞質檢測
新型微電極陣列技術能夠同時記錄神經電信號并檢測神經遞質，為探索大腦中電信號和化學信號之間復雜的相互作用提供了一個綜合平臺。這些采用柔性聚合物和功能化表面設計，在減少機械創傷和炎癥，支持穩定、長期多模態神經記錄方面大有可為。
其中一項關鍵進展是納米材料的使用，特別是納米碳基導電聚合物復合材料，它提高了微電極陣列的電化學性能。這些材料提供了更大的表面積、低阻抗電極，提高了電生理記錄的信噪比，并提高了靈敏度和穩定性，可用于長期神經遞質監測。
使用鉑和納米鉑微電極檢測谷氨酸的酶解機制示意圖
另一項變革性發展是批量制造柔性微電極陣列時采用碳替代金屬。這一創新改進了電極的電化學性能和生物相容性，通過碳材料的優勢特性，促進了穩定的多模態電化學和電生理記錄。然而，與柔性金屬微電極陣列的標準制造工藝相比，在柔性基底上批量制造碳電極更加復雜且具有挑戰性。因此，碳微電極技術的持續進步（包括新型制造技術和微型化），對于推進慢性神經化學傳感、改進多模態神經接口設計至關重要。
柔性納米鉑涂層微電極陣列，有效監測大鼠創傷性腦損傷模型中谷氨酸濃度的變化
神經遞質選擇性電化學檢測依賴于在微電極表面固定酶或適配體等生物識別元件，通過使用納米多孔表面、柔性微電極陣列基底和兩性離子聚合物封裝，也得到了大幅改進。然而，酶和適配體在生物環境中的降解仍然是一個挑戰，目前的固定方法存在局限性。例如，人工滴注的吞吐量低，而且可能導致涂層覆蓋范圍和厚度的變化。交聯還可能對電生理學的電極阻抗產生負面影響。需要改進固定技術，以提高涂層精度、增加吞吐量、增強器件穩定性和性能，尤其是對于復雜生物環境中的長期監測。
柔性微電極陣列及其適體傳感器組裝過程和檢測機制示意圖
隨著這些微電極陣列技術的不斷發展，在理解大腦中電信號和化學信號之間復雜相互作用方面的應用，將使人們對神經系統疾病的內在機制有更深入的了解，而這是導致全球殘疾人口增長的主要原因之一。這一進展將對神經和腦部疾病的治療產生深遠影響，提供診斷價值，支持先進的治療方法，例如閉環深部腦刺激，以及其他基于神經調控的療法和治療性腦機接口（BMI）等。
為了充分發揮這些微電極陣列在多模態檢測方面的潛力，需要專門的硬件來有效收集和整合電化學和電生理學數據集，而不會造成電氣干擾。
在柔性微電極陣列中集成碳材料
目前的多模態采集方法受到空間或時間分辨率以及通道數的限制，降低了大腦多模態映射的效率和精度。這些限制強調了改進硬件以實現高通道數、高分辨率和同步測量的必要性。微型化、數據處理和集成方面的進步，對克服這些挑戰至關重要。這些改進將能更有效地管理復雜的數據集，擴大柔性微電極陣列在研究和臨床環境中的應用。最終，這些發展將為下一代診斷工具和療法奠定基礎，有力推動神經科學領域的發展。
此外，成功實現對大腦活動的多模態解讀，有望為深入理解智力甚至意識的基礎開辟新途徑，使工程師能夠模擬大腦活動，提高逆向大腦的能力。例如，更好地了解大腦神經動態可以激發復雜的人工神經網絡和人工智能算法的開發，提高模式識別和決策等任務的性能。與當今依賴二進制邏輯門的計算機不同，復制大腦神經元的興奮水平，有望開發更強大、更高效的計算機。
帶有玻璃態碳（CG）電極和互連器件的全GC-微電極陣列
除了用于電生理學和電化學傳感，PEDOT涂層和碳微電極還可以用于電刺激。此外，超柔性器件方面取得的最新進展，使低電流顱內宏刺激成為可能，從而確保了無縫組織整合，避免神經變性。這些進展表明，組織整合電極可以提供高效、選擇性且持久的神經調控，同時最大限度減少組織損傷和脫靶效應。
包括多分析檢測在內的雙重傳感模式為了解大腦機制提供了重要依據，而刺激對于神經調控療法、腦機接口和促進組織再生等應用尤為重要。在微電極陣列上集成刺激功能，不僅能擴展功能，還能對神經系統疾病進行更全面、更有針對性的治療，并增強神經可塑性。
未來，有前景的方向之一是將柔性微電極陣列與類器官模型相結合，為研究大腦活動和測試療法提供顯著優勢。值得注意的是，多能干細胞衍生的腦有機體已取得顯著進展，通過其三維多細胞結構和發育特征復制了人腦的主要特征。
柔性微電極陣列尤其有用，因為它們能夠適應類器官的三維結構，為更相關的電刺激和機械刺激創造仿生環境。與剛性微電極陣列不同的是，柔性微電極陣列能夠適應柔軟、彎曲的表面，從而增強電生理記錄，同時還能適應類器官的生長和結構變化，實現無創監測。這種優勢組合將推動對神經退行性疾病、發育障礙和癌癥等疾病的研究。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/bios15020100
