25、体内记录用多电极和多晶体管阵列：原理、挑战与解决方案

体内记录用多电极和多晶体管阵列：原理、挑战与解决方案

在神经科学研究和临床应用中，基于微电极阵列（MEA）的可植入探针是研究大脑微电路以及帮助瘫痪和其他神经疾病患者的有前景的工具。下面我们将详细探讨其工作原理、面临的挑战以及两种常见的探针架构。

1. 电极工作原理

在工作电极电压较低时，法拉第过程可忽略不计，电流主要通过电路的电容分支流动（即法拉第阻抗 $Z_f$ 趋于无穷大）。这种情况在记录神经元细胞外信号（如尖峰信号或局部场电位，LFP）时很常见，因为这些信号的振幅通常只有几毫伏。而在刺激过程中，当施加伏特级的驱动电压时，法拉第电流可能变得显著，电流开始在阻抗分支中流动。

2. MEA 探针的记录与刺激

• 应用前景 ：“体内”实验表明，MEA 植入物是研究大脑微电路的有力工具，还可通过假肢设备帮助瘫痪和神经疾病患者。此外，具备记录和刺激功能的电极也被开发用于双向脑机接口或自适应深部脑刺激。
• 记录挑战
  • 电极尺寸 ：理想情况下，应使用“点状”电极来映射细胞外电位，但目前的微电极尺寸与神经元体相当或仅略小，表面积在 100 - 1000 平方微米之间。
  • 信号幅度低 ：中枢神经系统中细胞外电极记录的动作电位幅度通常在 100 μV 或更小，LFP 的幅度也较小且信息丰富，因此需要低噪声的 MEA 和读出电子设备。
  • 噪声问题 ：背景噪声包括“神经元噪声”