17、神经接口集成电路：神经电记录

神经接口集成电路：神经电记录

1. 神经记录简介

监测活神经元产生的电位，在科学和临床领域都能提供大量信息。20世纪八九十年代，微加工多电极阵列的发展给现代神经科学带来了革命性变化，使科学家和临床医生能够监测大脑局部区域多个神经元的同步活动。例如犹他电极阵列，它是一个10×10的铂尖硅电极阵列，尺寸为4mm×4mm×1.5mm。如今，密集多电极阵列可从多个商业渠道轻松获取，但这些设备必须通过相对笨重的线束和经皮连接器连接到外部仪器。

为了创建具有无线供电和数据传输功能的完全可植入神经记录设备，微机电系统（MEMS）电极阵列正与集成互补金属氧化物半导体（CMOS）电子设备相结合。然而，这些高度并行记录系统的小型化带来了一些重大的电路设计挑战。微弱的神经信号需要被放大和数字化，并且这些信息必须通过无线遥测链路传输到体外，以避免感染途径。多通道神经记录系统可能会产生大量连续数据流，需要进行传输。同时，小型植入设备的功耗必须严格限制，以防止过度的组织发热导致附近细胞死亡。因此，深入理解电路设计的权衡对于满足该应用中固有的严格功率、尺寸和带宽限制至关重要。

可植入神经记录设备在推进对大脑功能的理解方面具有巨大潜力，它能让科学家在动物正常行为期间观察和操纵神经活动。该技术的临床应用包括监测和诊断癫痫发作，以及为严重残疾者提供假肢控制。在神经假肢领域的最新研究表明，如果使用大脑皮层运动区域的多个神经信号进行控制，大鼠、猴子和瘫痪的人类都可以学会通过思维控制机械臂或电脑光标。

2. 神经信号的特性

神经元等电活性细胞相对于细胞外液会产生约100mV的内部电压变化。虽然使用单独引导的微电极可以进行短暂的细胞内记录，但使用多电极阵列进行长期记录时，会利用离