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在体神经界面时期的发展

从小到大边界记载

作家：李骁健，邓春山，王汉达，张冰杰，周小琳

单元：中国科学院深圳先进时期筹议院，深港脑科学创新筹议院

节录：大脑功能的竣事来自于分散在多个脑区的神经集群的协同行为。神经元行为的电位不错被电极拿获并传送给臆测机处理，经过信号解析索要出脑内的信息。同期对多个脑区的神经元电位信号进行大宗且密集的记载，很有助于解析特定行动的神经集群编码旨趣。在这篇综述中，咱们要点先容运用于从小边界到大边界记载的神经界面时期，并连络面向更大边界神经集群的记载时期在微系统、电极器件和界面材料上的时期挑战与研发政策。    先容

咱们大脑的功能，包括感判辨、通顺限度、学习和挂念，都是由分散在多个大脑区域的神经元群体通过勾搭行为竣事的。[1]大脑自己瑕瑜常优柔的，浸泡在电解质组成的脑脊液中。大脑亦然被软脑膜、蛛网膜、硬脑膜和颅骨所包围、保护和支捏着的。

神经元是竣事脑功能的主要基本单元。它是一种能经受、处理和传递信息的电同意性细胞。神经元的典型形态包括称为胞体的细胞体，称为树突的纤细的树枝状分枝，和从胞体蔓延出来并远隔胞体的纤维-轴突。树突经受来自其他神经元的信号，而轴突则向其他神经元传递信号。轴突所传递的电信堪称为动作电位（AP)。突触是神经元间通讯的邻接点。[2]神经元间的通讯是通过化学突触上的化学递质或电突触上的电位进行门控离子流来完成的。神经元的电行为在细胞外介质中产生的叠加效应形成了电位，并跨越脑组织形成梯度电场。在细胞外甩掉电极不错监测到这些电场信号。它们的波形特征，包括振幅和频率，是由多个电位源的矢量和，大脑区域的性格，以及记载电极的阻抗和有用战争面积决定的。阐发记载电极甩掉的位置不同，记载到的电信号可分为四个类型[1]：

（1）头皮脑电图(EEG)信号是从新皮记载的，是慢波信号(振幅5-300μV，频带<100Hz)；

（2）皮层脑电图(ECoG)信号是从脑皮层名义记载的，为中等节律信号(振幅1μV-500μV，频带<200Hz)；

（3）局部场电位(LFP)主如果在脑组织里面记载到的。它是电极周围通盘离子历程形成的电位的叠加后果，是较快节律的信号(振幅<1mV，频带<300Hz)；

（4）动作电位（AP），是由单个神经元发出的电脉冲，在胞外测量时振幅可达500μV以上，频带为300-7kHz。

动作电位是胞外记载的信号中信息精度和数据保真度最高的。它是从一丛有功能邻接的神经元中记载到的单单元行为(SUA)和多单元行为(MUA)信号中索要出来的。当单个神经元上的突触电流竣事同步而且和邻近的神经元们形成电流耦合时，就产生了局部场电位(LFP)信号。神经元动作电位波形处于较高频带，在LFP频带中阐扬不显然。与单和多单元行为信号比较，LFP信号面对电极灵巧度或电极位置变化时有较高的鲁棒性。在脑组织内记载的神经电信号的时代分袂率都能达到约3ms，而空间分袂率互有相反。单单元行为记载的最高空间分袂率在0.05mm摆布，其次是多单元行为记载的0.10mm和局部场电位的0.50mm。[3]

皮层脑电（ECoG）信号来自恃宗皮层锥体神经元的突触后电位同步化行为。与LFP信号相通，与单神经元记载信号比较，ECoG信号不大容易受到电极和脑组织相对微通顺的影响。然而，ECoG是在脑皮层名义记载的，神经电信号在通过硬脑膜下的神经层、软脑膜、蛛网膜和脑脊液时有一定衰减，因此ECoG信号的时空分袂率都会略低于皮层内记载的信号。[4]ECoG信号的时代分袂率约为5ms，空间分袂率约为1mm。[5]ECoG电极并不刺入皮层神经组织中，不会引起显然的胶质细胞增生和瘢痕组织的产生，也不会导致脑皮层内出血。头皮脑电图（EEG）是从新皮上记载信号的。由于神经信号会被低电导率的颅骨权臣衰减，EEG的时空分袂率均远低于ECoG。它的时代分袂率约为50ms，空间分袂率约10mm。[6]

头皮脑电图等无创时期在无创脑机接口中开展了运用。在限度神经义肢方进取，由于信号失真度高、特异性差、分袂率低等原因，性能尚难以知足实用条件。[3]植入式时期的信号质料较高，但需要通过手术将电极植入颅内。其中ECoG时期需要在硬脑膜内或外甩掉电极，分一名为硬膜下ECoG和硬膜外ECoG。与头皮脑电图比较，硬膜下ECoG电极阵列集会的数据具有高得多的时空分袂率，然而够不上神经元动作电位级别。[7]刺入式电极不错将信号分袂率提高到神经脉冲水平，但因会毁伤脑组织，刺入的空间范围就受到了为止。稀奇是用于恒久的慢性记载时，刺入的电极可能会激发永远性的局部脑组织毁伤。然而刺入脑组织中的细胞外记载电极或者得到脑内恣意深度的动作电位(AP)和局部场电位(LFP)信号。它集会的是具有最高时代和空间分袂率的胞外神经电信号，因此在神经电生理学筹议中得到了最平素的运用。

女同a片

胞外神经电生理记载等于将植入脑内的微电极拿获的神经电信号以最小的失真和延迟传输到远端的臆测单元，并进行数据的及时处理、存储和可视化的历程。传统型记载系统各组件包括[8]：

（1）一组具有电信号传感叹点的无源电极探头，通过柔性或刚性的邻接线邻接到

（2）前端芯片板，进行神经电信号的预放大。在较新的贪图中，信号放大和数字化都在此处完成。并通过一根长信号线缆传送到

（3）数据集会单元，进行信号的预处理并将数据传输到

（4）具有庞杂的数据处理、存储和可视化臆测材干的中央臆测机中.

在这篇综述中，咱们不会较多连络记载系统的信号处理和数据臆测部分，而将要点探讨由电极探头和前端芯片组成的神经界面部分。

    小边界记载

刺入式电极类型：

微线电极（Microwire electrodes）

微线电极是一种历史悠久的用于电生理学筹议的微电极，它的使用不错回想到20世纪40年代。[9]微线电极的中心是一根导电金属线芯，周围由耐电解质溶液的绝缘材料（如团聚物、陶瓷或玻璃）包覆，只自大微小的金属顶端。（Fig1.A）玻璃包覆钨微丝的电极不错使用浅薄的用具拉制，其顶端可达到与脑皮层中神经元的胞体大小相配。使用这种电极曾初度记载到了围聚放电神经元胞体的细胞外神经行为信号，而且达到了高信噪比。基于这种电极的神经记载时期在神经科学筹议史中作念出了大宗伏击孝敬，在低级视皮层、海马体、颞下皮层等脑区，针对嗅觉、知觉和通顺限度的神经关联方面都进行了首创性的筹议。[10-13]慢性植入记载实验标明，直径小于20µm的微线电极不错权臣诽谤脑组织对插入微丝的排异反映。

四极电极是一种由四根电极组成的四通谈束型微线电极小阵列。四极电极不错将来自合并信源的神经元电信号由空间位置稍许不同的4个电偏执同期检测到。（图1.B）这种电极小阵列中每个电极金属触点的直径频繁小于30μm。[14]四极电极与单通谈电极比较的主要优点是，由于四电极的每个电极与神经元之间的空间距离不同，四个电极检测到的细胞外电位波形就不同。[15]使用聚类样式对细胞外电位信号进行分类就能分离出相邻神经元各自愿出的脉冲。[16]

单线和多线电极基本都是手工制作的，东谈主工制变资本较高且无法大边界出产。由于加工精度较低而且对阻抗和神志等方针的可调换度不高，这种微电极频繁被看作是“艺术品”。但也恰是由于不错手工制作，该时期在好多神经电生理学实验室中得到了平素使用。

犹他阵列（Utah array）

犹他阵列是一种已做生意业化的用于脑皮层内植入的电极阵列，给与了平面外加工工艺。犹他阵列由约100根硅针形电极组成，硅针间距400μm，导电顶端表露直径10-30μm。(Fig1.C)该阵列给与MEMS时期经过化学微加工、金属千里积和团聚物封装制成。[17]神经科学家需要对脑内神经电信号进行恒久安靖的慢性记载并刻薄了将通盘电极阵列紧闭在颅骨内的想法。Utah阵列的贪图决策恰是措置了带援手底板和引线的平面刺入式电极阵列植入脑皮层后关闭颅骨的问题。由于犹他阵列具有通谈数较多，对脑皮层的遮蔽面积和电极密度较平衡，而且顺应慢性记载的特色，它主要用在大型动物，稀奇瑕瑜东谈主类的脑神经信号记载中。但由于硅针电极较短（一般不突出1.5mm），它比较顺应记载脑皮层的神经信号。犹他电极与微线电极的相通之处在每根针上唯一顶端有一个电极触点。将密集阵列中近百个探针同期插入皮层中的难度较大，需要借助专用的微型气锤才能将其植入。[16， 18， 19]

犹他阵列及配套的记载系统已经被好意思国食物和药物料理局(FDA)批准用于皮层内信号脑机接口时期(iBMI)的临床筹议。犹他阵列目下主要用在通顺脑机接口临床老练中，该实验通过将通顺关连的神经信号从大脑传递到外部效应器，替换和规复瘫痪患者受毁伤的通顺功能。(Fig1.D)主要的样式是在患者大脑中认真肢体通顺的脑皮层区域植入单个或多（两）个犹他阵列。目下在非东谈主灵长类实验中竣事了在合并只猕猴的视皮层同期植入总和突出500个通谈的多个犹他阵列。[20]

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Fig 1: A. thefeature of microwire electrodes array; B. the illustration of tetrode in neuraltissue; C. Utah array; D. the clinical investigation of intracorticalbrain-machine interface.

密歇根式探针（Michigan type probes）

另一种交易化的微电极阵列-密歇根探针是给与平面内加工工艺制造的。“密歇根”探针是第一款基于硅材料的神经电极阵列，始于1970年。它给与包括了在硅上千里积金属和蚀刻等时期的微机电系统(MEMS)时期制造。[21]密歇根电极等于一根扁平的杆，沿着扁杆的宽面排布着多个记载触点，触点名义积一般在100-400μm2之间。这种制造工艺的优点是电极触点间的间距不错精准限度，触点的直径可小至2μm。而通盘探针的长度不错从几毫米到厘米不等，是以密歇根电极更顺应对脑组织结构从纵深的场所进行记载。

多极探针是密歇根探针的一种变体，其贪图主义是密集地对一丛相邻的神经元中进行胞外多单元记载。(Fig2.A)多级探针具有多个终止密致的记载位点，相配于四极电极神经单元荫庇功能的翻新版，记载的神经元数不错达到电极位点数的3倍。高精度的光刻加工法不错确保各记载位点大小的一致性，而且较容易定制探针的神志（单个或多个杆）和阐发要记载脑区的结构定制探针杆上记载位点的位置。[22]

多杆的密歇根式探针形成了二维梳状结构，而二维(2D)探针梳不错进一步拼装成三维(3D)探针阵列。这种阵列不错对一块脑区的神经元汇集进行密集的立气象电生理记载。[23](Fig 2.B)由一维的窄条多电极探针膨胀成高电极密度的二维电极阵列，进而堆叠成三维电极矩阵。这是个有很强可膨胀性的模块化搭建决策。电极矩阵的后端通过高密度柔性导线邻接到进行信号调换、多路复用和数字化的集成电路上。这么不错有用幸免无源电极在机械、电子和热源上受到有源器件的影响。在慢性记载实验中，电极阵列在脑组织中处于浮动景色而且植入了电极的脑组织上边被硬脑膜和颅骨遮蔽的情况下，恒久记载的后果比较瞎想。慢性记载用的硅探针阵列的基座不会植入到脑组织中，但又不可不容颅骨的闭合，因此要贪图得很矮小才行。总体看来，慢性记载用的电极矩阵的贪图是密歇根探针和犹他阵列的羼杂格调。

团聚物探针是一种柔性的多极探针。它具有像微线电极的操作天真性，而记载触点的密度也能接近密歇根探针的水平。团聚物探针具有高神经相容性，除了来自团聚物材料自己的高生物相容性，也表目下不错跟着植入的脑组织一都移动，从而减少了对神经组织的剪切毁伤。团聚物探针有一种改型是把扁条形团聚物探针中电极触点和引线周边的部分区域抠掉，形成绽开网格结构的电极阵列。这么的贪图进一步增强了团聚物探针的机械娇媚度而且因为减低了引线间的平行度而诽谤了信号通谈间的电串扰。网格型电极阵列不仅不错制成刺入式探针也不错作念成娇媚贴附在皮层名义的ECoG型电极。

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Fig 2. A. theelectrode contacts layout of polytrodes. B. Schematic of probe assemblies:(a)the structure of single probe shaft; (b)probe comb with four shafts; (c)slimplatform 3D-probe array with 4×4 shafts

名义贴附式电极类型：

神经网格（Neurogrid）

神经网格是一种以聚对二甲苯为绝缘基底的4μm厚的薄膜型电极阵列。它的电极以聚（3，4-乙基二氧噻吩）(PEDOT)掺杂聚（苯乙烯磺酸盐）(PSS)作念为有机电化学晶体管的栅极，而且能从脑皮层名义记载到神经元的动作电位。[24]这种电极阵列的样品具有256个记载位点，触点大小为10×10μm2，间距30μm，与神经元胞体的平均大小和神经元密度相匹配。(Fig3.A)电极触点处的界面材料给与了PEDOT：PSS，其电子离子羼杂的高电导率和高离子转移率权臣诽谤了脑组织和金属电极之间的电化学阻抗失配。[25， 26]聚对二甲苯封装工艺制备出了厚度仅有4μm的娇媚薄膜，使其或者密致贴附在描述不端正的脑皮层名义(Fig3.B)。另外，神经网格不错折叠后插入到传统的临床用硬膜下ECoG电极塞不进的大脑沟回里。

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Fig 3: Neurogrid. A. The NeuroGrid conforms to the surface of anorchid petal (scale bar， 5 mm). Inset， optical micrograph of a 256-electrodeNeuroGrid (scale bar， 100 μm). Electrodes are 10 × 10 μm2 with 30-μminterelectrode spacing; B. The NeuroGrid conforms to the surface of the ratsomatosensory cortex. (scale bar， 1 mm).

    大边界记载

在保证较高记载电极密度的前提下，通过提高记载电极的数目，扩大对脑组织的遮蔽面积，不错竣事跨越多个脑区同期记载大宗神经元的电行为。这么不错为相识神经功能汇集的组织历程以及神经元群体对特定判辨行动的编码旨趣提供要津的神经信息。

刺入式电极类型：

神经像素（Neuropixels）

这个贪图的特色是，给与互补金属氧化物半导体(CMOS)时期竣事了记载电极和多路复用电路集成到合并根硅探针中，而且硅探针也和放大、滤波和数字化的信号预处理电路集成到了合并个加工硅片上。(Fig4.D)

神经像素1.0是基于130nm CMOS工艺制造的。960个记载电极和与之相邻接的具有多路寻址和局部放大功能的精密电子电路集成在了一根10mm长、70×20µm2截面的刚性硅探针上。探针柄通过384根邻接线和基座相连。5×9mm2大小的基座上有可配置的384通谈信号预处理集成电路认真双波段记载（脉冲频段30KHz/每通谈，局部场电位频段2.5KHz/每通谈）并通过数字端口以突出20MB带宽向集会板发送数据。诚然有960个记载位点不错聘用，但神经像素1.0可同期记载的信号通谈数唯一384个。[27]（Fig4.A，B）神经像素2.0版块的探针单元有4根杆，共5120个记载位点，不错在1×10mm2平面内密集地记载神经信号。(Fig4，C)神经像素2.0是双探针单元结构，因此共有10，240个记载位点，同期记载的通谈数就达到了768个，但体积却缩小到了神经像素1.0的1/3摆布。[28]神经像素探针在保证上千个记载位点的前提下，通过多路复用压缩了探针截面积和布线量，并通过预处理芯片和探针的一体化集成进一步简化了连线，极地面压缩了神经界面装配的全体体积。[29]在记载动物脑神经信号时，这个贪图不错终点有用地削弱对动物的敛迹。

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Fig 4.Neuropixels.A. Illustration of probe tip， showing checkerboard site layout (dark squares)；B. Probe packaging， including flex cable and headstagefor bidirectional data transmission；C.Neuropixels 2.0 probe (left) and 1.0 probe(right)；D. system architecture of the active pixels probe

Argo

四肢使用历史最悠久的微线电极，自己不错作念得很细且坚强。它不但对脑组织的插入毁伤较低而且记载后果也很好。如果想用到大边界记载中来，需要最初措置由大宗微线组成的电极阵列邻接到放大器阵列的连线问题。[30]“Argo系统”刻薄的措置决策是，使用罢休涂层将绝缘的微线段增粗，然后把它们捆扎成一束，这束绝缘微线的终止距离刚好垂直配合大型CMOS放大器阵列的平面(Fig5.A)。

微线阵列的一个端面对接到背板上的放大器阵面上后，就形成了一个访佛犹他阵列的刺入脑皮层的记载装配(Fig5.B)。相干于犹他阵列，Argo的要紧逾越表目下总的数据蒙胧量上，该系统的原型机具有在32kHz单通谈采样率和12位的信号分袂率下同期对65536个通谈一语气记载的材干。该原型机在大鼠脑皮层中考据了1300根刺入式微线的阵列不错检测到791个单单元的动作电位。并考据了贴在羊听觉皮层名义的突出30000通谈的微线阵列不错记载到刺激诱发的局部场电位。[31]这种“老树开新花”与顺应边界化出产的CMOS工艺居品嫁接的样式提供了一个有进一步膨胀空间的大边界神经界面平台。

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Fig 5:Argo. A.Macroscopic image of the electrode array; B. Schematic of the CMOS chipintegrated with the microwire bundle. The bundle consists of a proximal (chip)end.

神经链（Neuralink）

神经链公司的大边界记载决策是研发刺入式薄膜团聚物神经探针阵列。目下不错作念到在近百根线（对应于硅探针的杆）上共交接数千个电极触点。[32-34]（Fig6.A，B）团聚物探针诚然有很好的娇媚度，神经组织相容性也较好，但不够鉴定不可颓败时获胜插入脑组织中。神经链公司专诚开辟了自动植入每根线的机器东谈主缝纫机，通过细钨针头勾带电极线刺入脑组织。[35] (Fig6.D)该缝纫机具有借助机器视觉定位特定脑皮层区域，并自动避让皮层名义血管进行电极植入的材干。神经链提供的是一个系统级的措置决策，包括已经封装在一都的柔性团聚物探针阵列和定制的用于信号集会的低功耗微型电子装配(Fig6.C)，以及不错自动向脑皮层植入电极的植入机械。目下该系统的有线传输版块是来源进的大边界在体神经电生理学筹议平台。该系统的无线版块是第一个都备体内植入的临床前筹议用的脑机接口系统前端。

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Fig 6.Neuralink. A. “LinearEdge” probes， with 32 electrodecontacts spaced by 50 μm; B. “Tree” probeswith 32 electrode contacts spaced by 75 μm; C.The wireless implantable recording system module; D. the brain sewing machine.

皮层名义电极类型：

与传统的皮层名义电极阵列比较，超薄(<30μm)的柔性皮层名义微电极(μECoG)阵列不错在脑皮层上永劫间地保捏较好的信号记载质料，且植入后很少会有刺激或毁伤脑组织的情况。[36]μECoG阵列不错密集地采样神经电行为，索要出更丰富的时空神经信息，不但可用于恒久记载脑行为图谱而且在脑机接口的调养型运用中有很大后劲。[37， 38]

神经矩阵（Neural Matrix）

神经矩阵是一种千通谈级的μECoG电极阵列。它是通过将有供电的时辰多路复用电子装配获胜集成到传感器中来大幅缩减引线量，保证较高的电极密度。在一个千通谈级神经矩阵测试原型中，通过竖立两层金属互连线加上镶嵌式多路复用器，竣事了用近百根引线从含有一千多个记载位点的高密度电极阵列中记载神经信号(Fig7.B)。该电极阵列为28列36行模式，遮蔽范围为9×9.24mm2 (Fig7.A)。如果给每个记载触点单独接引线共需1008根线，而神经矩阵所需的引线总和仅为92(列数的2倍加上行数)根，从简了90%以上的引线空间。因为皮层名义电极需要的采样率较低（一般无须突出1KHz），不错在一个二维扫屏周期内对通盘神经矩阵内的电极位点进行记载。而神经像素的每个通谈需要的采样率较高，它给与的多路复用样式是在每次记载前从可记载位点里聘用出不突出引线总和的位点进行记载。[39]

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Fig 7:Neural Matrix. A. Photograph of 1008-ch Neural Matrixarray. Inset: Each electrode is connected to a unit cell consisting of twoflexible silicon transistors; B. The structure of neural matrix array.

铂纳米棒网格（PtNRGrids）

最近有一种新开辟的千通谈级的μECoG电极阵列(Fig 8.A)，称为PtNRGrids。它是一种厚度6.6μm的以聚对二甲苯为基底的薄膜电极阵列，电极触点直径有30μm，通过铂纳米棒修饰竣事较低阻抗。(Fig 8.B，C)该阵列的记载位点间距可在150μm到1.8mm间竖立。网格遮蔽范围涵盖了用于啮齿动物的5×5mm2(1024个位点)到用于临床的8×8cm2(2048位点)尺寸。在科研临床实验中，借助这种高空间分袂率的电极阵列，实验者不雅测到了癫痫手术患者的癫痫动态放电和空间扩散历程。[40]

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Fig 8:  PtNRGrids.A. The electrode array with the thin film interconnect strip and the connector;

B.large-area fabrication of PtNRGrids electrode arrays on18 cm–by–18 cm glass substrates; C. Microscale features of PtNRcontacts， metal leads， and perfusion holes shown by B optical (top) andelectron microscope images (bottom).

分散式类型：

神经粒(Neurograin)

前面提到的这些为大边界记载开辟的电极阵列都是一气象加工的，每个电极触点的相对位置都已笃定，而且要四肢一个全体植入脑内。针关于此，下一代神经界面的贪图想路被提了出来：电极植入位置不错颓败天真竖立，植入边界能达到多如牛毛，而且要具有记载和刺激双向功能。[41]通过将单个传感功能器件四肢一个汇集节点进行超袖珍化并保捏较高的信号保真度，一种合适以上想路的分散式传感器系统(Fig9.A)—神经粒在脑皮层上完成了见识考据实验。神经颗粒系统是由可植入的、亚毫米级的、单独可寻址[42]的微电子芯片群组成的。(Fig9.B)每个神经颗粒都是一个颓败的密封模块，大小为500µm×500µm×35µm，给与近场感应耦合时期进行经皮无线供电。[43]神经颗粒微器件是不需要连线的，不错单个或群体的方式植入特定脑区进行神经信息的读写操作，在临床场所会有较好的运用远景。

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Fig. 9:Neurograin; A. Concept of a transcutaneous RF power anddata link for a neurograin array; B. neurograin chiplets present on a UnitedStates dime.

    连络

微系统：

由于传统的神经界面器件的传感叹点数目有限（频繁小于100个），导致要么是以较低的时空分袂率对较大范围脑区进行采样，要么是以较高的时空分袂率集会一小块体积内的神经元信号。连年来，不论是对筹议照旧临床运用的神经信号记载时期，都刻薄了在高保真地集会神经信号的前提下，增多采样量，提高采样密度的条件。目下的大圭臬神经电信号记载时期不错建议为：具有在一厘米及以上圭臬范围内，同期对一千个以上的传感叹点进行信号记载的材干。[39]

同期不错记载的电极触点数目主要受可并行读出的通谈数和探针杆中最大可排布的邻接线数为止。因为探针杆的截面积决定了刺入式探针的组织伤害进程，邻接线的数目就被探针杆的宽度为止住了。[39]减少电极触点的面积和间距不错增多电极的密度和数目。但这会增多电极的阻抗和邻接线的密度，导致信号串扰和电磁烦嚣的增强。为了优化组件间的邻接和布线，最猛进程的诽谤噪声和通谈串扰，稀奇是通顺伪迹的影响，筹议东谈主员刻薄了几种集成电路贪图决策，波及了缓冲、多路复用、放大以及信号预处理功能。有源电极的见识被提了出来，等于在每个电极触点的底下集成一个缓冲电路（像素放大器），在原位措置高电极阻抗问题，来保证高连线密度。但这种有源的缓冲电路不可作念得结构复杂，不然会增多噪声，增大像素面积，也导致电极触点面积增大。其它结巴布线瓶颈的样式有在电极上获胜集成供电复用电子装配。它不错使电极阵列的封装更紧凑，但由于器件中供电导线与生理环境的电压差较大，会加快团聚物封装的失效，诽谤植入物的寿命。刺入式探针的尺寸越小，在脑组织中的相对位移就越小，信号就越安靖，但为电极触点、邻接线和有源电路元件提供的面积和体积就越小。跟着电极触点数目的增多，邻接线的排布就越来越密集。在电极触点附近交接有源电路，诚然不错优化布线，但使有源组件更接近并将热量导入脑组织。此时有源组件的能耗亦然对脑毁伤的一个评价成分了。

遮蔽较大面积脑组织而且以高采样率集会大宗神经元电行为信号的需求，鼓励了高时空分袂率、高通谈神经界面时期的开辟，包括给与高性能电子电路装配对高通谈的神经电信号进行寻址、放大、数字化和预处理操作。除了传感电极，集成电路部分的工程放大也有了挑战，包括诽谤全体功耗、放大器降噪和增多走线密度等方面。跟着信谈数增多，神经电信号放大器贪图在面积和功耗上受到很大为止，而且邻接终点轻微的电极时还要保捏很低的输入噪声。将放大器集成到尽可能接近电极的位置，不错通过诽谤高密度的邻接线来诽谤噪声。比如使用CMOS工艺（制备集成电路）与MEMS工艺（制备传感电极）相聚会的方式来有用地训导电极和放大器的通谈数。神经链（Neuralink）—四肢一个系统级的措置决策，已经竣事了微电极阵列和ASIC与信号预处理以及通讯模块的集成。大圭臬神经界面集成装配研发濒临的最大挑战可能来自运用和改造方面。唯如故过交易改造成为不错平素使用的科研用具或是经过临床批准的医疗器械，才能体现这个时期投资的价值。

功能性神经替代体是脑机接口时期在临床领域的一个伏击运用场景。患者但愿或者通过神经替代体与外界环境进行交互。针对目下使用的有线数据传输型植入式脑机接口装配，升级为无线数据传输会有不少克己，比如脑机装配更为简单好意思不雅，用户的行为范围大幅扩大，用户体验训导等等。装配被都备植入到头皮下的话，头皮就会都备紧闭，从而幸免信号线出口部位的感染风险，也便于用户活上路材。但使用无线数据传输可能会引起伦理问题的连络，因为脑机接口系统通过无线汇集进行通讯时有汇集信息安全风险，可能会泄露被以为是机密的患者信息。四肢植入式医疗诞生，脑机接口的系统测试必须在与东谈主类高度相通的动物模子，比如非东谈主类灵长类动物(NHP)的脑内进行，而且必须通过推行智能任务进行测试。在神经科学筹议领域，稀奇是对动物解放行为行动的神经机制筹议，需要同期监测动物的肢体通顺、个体间互动和神经行为，无线传输集会的神经信号亦然必需的功能。[45]

跟着电极阵列的制造向越来越多的电极触点数发展，信号集会的数据带宽需求也跟着训导，对无线数据传输材干刻薄了严峻挑战。此时需要琢磨给与低带宽的信号集会样式来诽谤无线传输压力。比如不再记载每个信号通谈的圆善宽带波形，而简化为仅集会神经元脉冲事件信息（保留或断念脉冲波形）。Neuralink无线版就给与的这个办法。而阐发猕猴和东谈主的皮层内信号脑机接口解码筹议，1kHz的数字化采样率得到的LFP频段信号足以知足功能运用。这些集会样式不错把传输带宽至少压缩几十倍，或者不错用开释的带宽记载更多通谈的电极信号。合理的数据压缩会极地面简化无线脑机接口系统的工程贪图。

电极

“密歇根探针”和“犹他阵列”这两种微型电极阵列在时期上已经比较练习，目下是神经科学筹议和探索性临床筹议中最平素使用的神经电信号探伤用具。犹他阵列、四极电极和微线阵列的电极触点都在顶端，会在脑皮层内形成一个基本与脑名义平行的集会平面。[9，17]而密歇根探针是在垂直于脑名义的平面内采信号，不错记载到脑皮层不同层结构中的神经行为。[46]

为了提高电极记载的空间分袂率，微电极触点的名义积要够小，排布要够密致，这么才能有较高契机竣事与单个神经元通讯。依托练习的微纳加工时期，触点密集排布的微电极阵列已经竣事了量产。在探针的神志和体积笃定的情况下，缩小电极触点不错增多记载位点的数目。如果一个探针名义遮蔽满电极触点，而且每个触点都不错同期读取信号的话，这种探针插入脑组织导致的毁伤却换取了最大宗的神经元信息。要集会到轻微的神经电信号，稀奇是达到单个动作电位检测的话，电极就要有很高的灵巧度。高灵巧度电极的特色是领有较低的阻抗和较高的电荷注入量（即在不可逆电化学反映发生前单元面积的最大可交换电荷）。然而电极阵列的空间分袂率和灵巧度之间老是存在矛盾的，因为减小电极触点的面积会增多阻抗和减小电荷注入量。关于传统的金属电极，增多触点的不详度和孔隙率不错增多有用名义积，从而诽谤电极阻抗，提高电荷注入量。

要想电极在脑内永劫间（数年）的保捏较高信噪比，贪图上还要宝贵兼顾神志成分和机械性能。关于脑皮层名义型电极，给与优柔的ECoG电极网格结构会有助于增大电极触点和脑组织的战争面积，减小脑-电极之间的阻抗，同期也大幅减少了对脑组织的毁伤。刺入式电极的问题还较多，比如传统的细硅针电极脆而易断，硬质硅电极和优柔的脑组织间的机械失配问题也不易措置。而柔性团聚物基底的探针型电极常会出现绝缘层和金属电极间开裂的问题。

材料

硅是一种顺应蚀刻集成电路器件的生物相容性材料，它亦然制造密歇根型和犹他型电极阵列的基础材料。具有微米精度、高可调换性、低出产资本和易于加工几何神志等优点的硅基微电极阵列是神经生理学筹议用电极的主流。跟着电极尺寸的渐渐减小，用生物相容性贵金属（铂(Pt)、铱(Ir)、金(Au)等）制作念的电极触点暴自大阻抗较高而电荷注入量却不高的问题。[38]这严重为止了对电极阵列空间分袂率的进一步训导。

柔性导电团聚物材料，相干于刚性电极材料，在应变和脑组织炎症反映上有较好的阐扬。如PEDOT：PSS，具有精良的生物相容性、优良的导电性和易于合成的优点。导电团聚物还不错四肢缓冲物，用来减少脑组织对电极的排异反映。然而PEDOT和金属电极之间存在粘附性较差的问题。[38]Au/PIN-5NO2/PEDOT这种夹芯结构贪图既保捏了PEDOT的电化学性能和生物相容性，又同期保证了机械安靖性。

咱们但愿改日能开辟出与神经组织特征具有高度相通性的纳米材料，竣事与神经元的无缝衔尾与功能交融，而且不错在脑内恒久的阐扬后果。

参考文件

[1] RASTOGI S K， COHEN-KARNI T.Nanoelectronics for Neuroscience [M]. Encyclopedia of Biomedical Engineering.2019: 631-49.

爱色影 51， 51);font-family: mp-quote， -apple-system-font， BlinkMacSystemFont， "Helvetica Neue"， "PingFang SC"， "Hiragino Sans GB"， "Microsoft YaHei UI"， "Microsoft YaHei"， Arial， sans-serif;font-size: 17px;font-style: normal;font-variant-ligatures: normal;font-variant-caps: normal;font-weight: 400;letter-spacing: normal;orphans: 2;text-indent: 0px;text-transform: none;white-space: normal;widows: 2;word-spacing: 0px;-webkit-text-stroke-width: 0px;text-decoration-style: initial;text-decoration-color: initial;text-align: left;">[2] Principles ofneural science [J].

[3] MARTINI M L，OERMANN E K， OPIE N L， et al. Sensor Modalities for Brain-Computer InterfaceTechnology: A Comprehensive Literature Review [J]. Neurosurgery， 2020， 86(2):E108-E17.

[4] Tissue responseto potential neuroprosthetic materials implanted subdurally [J].

[5] Origin andpropagation of epileptic spasms delineated on electrocorticography [J].

[6]  VALLABHANENI A，WANG T， HE B. Brain—Computer Interface [M]. Neural Engineering. 2005: 85-121.

[7]  JAYAKAR P， GOTMANJ， HARVEY A S， et al. Diagnostic utility of invasive EEG for epilepsy surgery:Indications， modalities， and techniques [J]. Epilepsia， 2016， 57(11): 1735-47.

[8] NeuropixelsData-Acquisition System: A Scalable Platform for Parallel Recording of 10，000+Electrophysiological Signals [J].

[9] SCHWARTZ A B.Cortical neural prosthetics [J]. Annu Rev Neurosci， 2004， 27: 487-507.

[10] Receptive fieldsof single neurons in the cat's striate cortex [J].

[11] The hippocampus asa spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat[J].

[12] Stimulus-selectiveproperties of inferior temporal neurons in the macaque [J].

[13] <A selectiveimpairment of motion perception following lesions of the middle temporal visualarea (MT).pdf> [J].

[14] The stereotrode: Anew technique for simultaneous isolation of several single units in the centralnervous system from multiple unit records [J].

[15] TungstenMicroelectrode for Recording from Single Units [J].

[16] CHOI J R， KIM S M，RYU R H， et al. Implantable Neural Probes for Brain-Machine Interfaces -Current Developments and Future Prospects [J]. Exp Neurobiol， 2018， 27(6):453-71.

[17] A 100 electrodeintracortical array:structural variability [J].

[18] NORMANN R A.Technology insight: future neuroprosthetic therapies for disorders of thenervous system [J]. Nat Clin Pract Neurol， 2007， 3(8): 444-52.

[19] WARK H A， SHARMAR， MATHEWS K S， et al. A new high-density (25 electrodes/mm(2)) penetratingmicroelectrode array for recording and stimulating sub-millimeterneuroanatomical structures [J]. J Neural Eng， 2013， 10(4): 045003.

[20] COLLINGER J L，WODLINGER B， DOWNEY J E， et al. High-performance neuroprosthetic control by anindividual with tetraplegia [J]. The Lancet， 2013， 381(9866): 557-64.

[21] AnIntegrated-Circuit Approach to Extracellular Microelectrodes [J].

[22] BLANCHE T J，SPACEK M A， HETKE J F， et al. Polytrodes: high-density silicon electrode arraysfor large-scale multiunit recording [J]. J Neurophysiol， 2005， 93(5):2987-3000.

[23] Siliconmicrosystems for neuroscience and neural prostheses [J].

[24] KHODAGHOLY D，GELINAS J N， THESEN T， et al. NeuroGrid: recording action potentials from thesurface of the brain [J]. Nat Neurosci， 2015， 18(2): 310-5.

[25] STAVRINIDOU E，LELEUX P， RAJAONA H， et al. Direct measurement of ion mobility in a conductingpolymer [J]. Adv Mater， 2013， 25(32): 4488-93.

[26] Organicelectronics at the interface with biology [J].

[27] JUN J J， STEINMETZN A， SIEGLE J H， et al. Fully integrated silicon probes for high-densityrecording of neural activity [J]. Nature， 2017， 551(7679): 232-6.

[28] STEINMETZ N A，AYDIN C， LEBEDEVA A， et al. Neuropixels 2.0: A miniaturized high-density probefor stable， long-term brain recordings [J]. Science， 2021， 372(6539).

[29] PUTZEYS J，RADUCANU B C， CARTON A， et al. Neuropixels Data-Acquisition System: A ScalablePlatform for Parallel Recording of 10 000+ Electrophysiological Signals [J].IEEE Trans Biomed Circuits Syst， 2019， 13(6): 1635-44.

[30] Chronic，multisite， multielectrode recordings in macaque monkeys [J].

[31] SAHASRABUDDHE K，KHAN A A， SINGH A P， et al. The Argo: A 65，536 channel recording system forhigh density neural recording in vivo [J]. 2020.

[32] MUSK E， NEURALINK.An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels [J].J Med Internet Res， 2019， 21(10): e16194.

[33] <Optimization_of_multi-layer_metal_neural_probe_design.pdf>[J].

[34] Polymer neuralinterface with dual-sided electrodes for neural stimulation and recording [J].

[35] HANSON T L，DIAZ-BOTIA C A， KHARAZIA V， et al. The “sewing machine” for minimally invasiveneural recording [J]. 2019.

[36]  MOSHAYEDI P， NG G，KWOK J C， et al. The relationship between glial cell mechanosensitivity andforeign body reactions in the central nervous system [J]. Biomaterials， 2014，35(13): 3919-25.

[37] VIVENTI J， KIM DH， VIGELAND L， et al. Flexible， foldable， actively multiplexed， high-densityelectrode array for mapping brain activity in vivo [J]. Nat Neurosci， 2011，14(12): 1599-605.

[38] WON S M， SONG E，ZHAO J， et al. Recent Advances in Materials， Devices， and Systems for NeuralInterfaces [J]. Adv Mater， 2018， 30(30): e1800534.

[39] CHIANG C H， WON SM， ORSBORN A L， et al. Development of a neural interface for high-definition，long-term recording in rodents and nonhuman primates [J]. Sci Transl Med， 2020，12(538).

[40] <Human BrainMapping with Multi-Thousand Channel PtNRGrids.pdf> [J].

[41] LEE J， LEUNG V，LEE A-H， et al. Neural recording and stimulation using wireless networks ofmicroimplants [J]. Nature Electronics， 2021， 4(8): 604-14.

[42] A 0.01-mm2 mostlydigital capacitor-less AFE for distributed autonomous neural sensor nodes [J].

[43] <Wireless powerand data link for ensembles of sub-mm scale implantable sensors near1Ghz.pdf> [J].

[44] RUBEHN B， BOSMANC， OOSTENVELD R， et al. A MEMS-based flexible multichannel ECoG-electrode array[J]. J Neural Eng， 2009， 6(3): 036003.

[45] WASCHKE L，KLOOSTERMAN N A， OBLESER J， et al. Behavior needs neural variability [J].Neuron， 2021， 109(5): 751-66.

[46]  A multichanneldepth probe fabricated using electron-beam lithography [J].肛交 av

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