19、聚焦离子束技术在神经元接口中的应用：从原理到实践

聚焦离子束技术在神经元接口中的应用：从原理到实践

1. 引言

神经科学的发展一直依赖于技术的进步，尤其是在研究细胞兴奋性的生物物理机制和神经网络中的信息编码方面。目前，神经技术已经取得了显著进展，例如尖锐电极和膜片电极的发展，使得研究人员能够深入探究单个细胞的电活动，包括动作电位和亚阈值电位。多电极阵列（MEA）的出现，让同时记录多个神经元的活动成为可能，极大地推动了神经网络动力学、计算和学习的研究，并为药物对神经网络影响的筛选提供了平台。此外，基于硅的可植入针状芯片（如“密歇根电极”）和三维微丝阵列（如“犹他阵列”）的实现，为体内长期记录和刺激多个神经元开辟了道路。其他技术，如脑电图（EEG）、皮层脑电图（ECoG）、脑磁图（MEG）和功能磁共振成像（fMRI），则为研究大脑功能和医学诊断提供了大规模神经元集体活动的特征信息。

然而，尽管神经科学家拥有丰富的工具，但仍然需要能够实现实时、高空间分辨率和长时间记录的电生理新工具。理想情况下，这些工具应能够以高时间保真度和低侵入性记录大量神经元的电活动，从而揭示神经计算如何从数百或数千个神经元的协调活动中产生。

电生理工具的灵敏度直接取决于电极与神经组织之间的界面性质。膜片钳技术能够产生高质量的跨膜电位或电流记录，这得益于移液器内电解质与细胞溶质的直接接触以及移液器与细胞膜之间的千兆欧姆密封。但这种紧密接触需要高度的机械稳定性，并且会影响细胞的活力。金属细胞外电极通过电容方式转换由附近神经元产生的细胞外电流引起的电压降。细胞外记录的侵入性较小，但信噪比（SNR）和带宽较低，无法检测亚阈值突触电位。此外，细胞外信号是多个神经元活动的叠加，需要进行尖峰排序，而这种方法可能具有一定的主观性。为了减少或消除重建单个单元活动的不确定性，细胞与