21、高时空分辨率的有源像素传感器多电极阵列：从基础到应用

高时空分辨率的有源像素传感器多电极阵列：从基础到应用

在神经科学的研究中，电生理测量是了解大脑活动的重要手段。电极在其中扮演着关键角色，特别是多电极阵列（MEAs），它在研究神经元信息编码和传输、开发脑机接口（BMIs）和神经假肢等方面具有重要意义。本文将深入探讨MEAs从被动到有源的发展历程，以及不同类型MEAs的特点和应用。

1. 电极阵列在神经科学中的重要性

电极阵列在神经科学中具有独特的优势，它结合了双向性（记录和刺激）、长期稳定性（可达数年）和大信号带宽等特点，能够记录多个神经元的动作电位以及低频场电位（LFPs）。自20世纪70年代以来，MEAs的发展与微加工工艺和微电子技术的进步并行。最初，基于硅加工和薄膜技术的MEAs主要关注微尺度的优化，包括电极 - 电解质 - 神经元界面的优化、微结构工艺的改进以及微流体在神经探针中的应用。

近年来，纳米技术和纳米结构能力的出现为MEAs带来了新的视角。纳米尺度下神经元、电极和底物之间的生物物理相互作用成为了一个令人兴奋的研究领域，不断提供新的方法和纳米材料（如碳纳米管）来更有效地感知和驱动电生理信号。例如，“细胞内”神经电子耦合的实现，展示了肽功能化的微结构“蘑菇形”电极能够记录海兔神经元的亚阈值突触活动，纳米柱和纳米线也能在脊椎动物神经元中实现短时间（约1小时）的细胞内记录。

然而，同时以毫秒级时间分辨率测量大脑中大量单个神经元的电活动仍然是一个重大挑战。尽管新型神经技术能够提高电极阵列的信号质量，但实际增加可记录单个神经元数量一个数量级的方法尚未确立。此外，可记录单个神经元数量的增加不仅带来了传感和驱动设备设计与实现的技术问题，还带来了计算方面的挑战。

2. 从被动到有源多电极阵