在神經科學領域，研究者往往需要採集動物腦內的神經電生理信號，即神經元放電產生的動作電位，或神經核團眾多神經元電活動形成的局部場電位。比如說，在動物執行工作記憶任務時採集動物前額葉皮層的神經電信號，以此來研究工作記憶的神經機制。那麼問題來了，如何才能採集或檢測到動物腦內的神經電信號呢？這裡研究者就需要藉助於神經微電極，神經微電極採集顱內神經電信號的示意圖如下所示。
在之前的一篇文章中（《為了需要我們不得不在它們腦內植入這些東西》），小編帶大家瞭解了常見的神經微電極，主要包括金屬微絲電極、玻璃微電極以及傳統的硅基微電極（Michigan硅基微電極和Utah硅基微電極）。沒有看過這篇文章的朋友隨後可以簡單地看一下額。
但是，隨著神經科學的快速發展，這些傳統的神經電極在一定程度上不能滿足研究者的研究需求了，神經科學研究者對神經電極提出了更高的要求，這促使神經微電極研究領域的快速發展。近期，發表於《Nature reviews neuroscience》雜誌上一篇文章，對最新的神經微電極技術進行了綜述[1]，而本文的主要內容源於對這篇綜述文獻的梳理。
傳統的神經微電極主要存在以下三個問題：空間分辨率低（即微電極同時只能採集少數幾個位置的神經元放電信號）、嚴重的慢性免疫反應（即電極的生物兼容性較差，隨著微電極植入顱內的時間增加，微電極與腦組織之間會產生炎症反應，在微電極表面會產生一層膠質細胞層，從而降低了神經放電信號採集的質量，甚至使得微電極採集不到神經元放電信號）以及功能單一（即微電極只能用於採集神經電信號）。而最新的神經微電極技術主要針對上述三個問題中的至少一種進行攻克，力求獲得某一方面的突破。接下來，小編就從這三個方面出發，帶大家瞭解一下神經微電極技術的最新研究進展。
1.空間分辨率的大幅提高
在空間分辨率方面有重大突破的當屬Neuropixels神經電極[2]。Neuropixels神經電極的形狀為寬70 um，長10mm的針狀，在電極上分佈有多達960個12 um* 12 um的方形神經電信號採集位點。研究證明，當用兩個Neuropixels神經電極同時植入大鼠的腦內，可以同時採集來自於5個腦區大於700個神經元的動作電位。
此外，由比利時魯汶大學的Bogdan團隊研製的NeuroSeeker電極把神經微電極的空間分辨率做到了極致 [3]。NeuroSeeker電極為寬100 um，長8mm的針狀，其上分佈有多達1356個神經電信號採集位點，可最大化地實現高空間分辨率的神經電信號採集。
但是這些神經微電極一般採用硅基作為製造材料，生物兼容性差，並且只能用於神經電生理信號的採集，功能單一。
2. 長期穩定性的提高
一些研究者試圖提高電極的生物兼容性和長期進行電信號記錄的穩定性。例如，美國California San Francisco大學的Jason研究團隊以生物兼容性良好的柔性聚合物膜而不採用傳統的硅材料來製作神經電極，並通過實驗證明這種神經電極在植入動物腦內長達283天的時間內不會發生過於嚴重的免疫反應，可以持續不斷地檢測到神經元的動作電位[4]。
3. 多功能神經微電極
隨著神經科學的快速發展，研究者對神經微電極的要求也不再僅僅侷限於記錄神經元的動作電位，而是希望在滿足基本的記錄功能的基礎上，增加其他的功能。例如，集成有微流體通道的神經微電極，如下圖所示[5]。
還有研究者在神經微電極上集成LED光刺激位點，可實現對神經信號進行光刺激的同時採集神經電信號[6]，如下圖所示。
總而言之，目前神經微電極技術主要向著高空間分辨率、長期穩定性和多功能化三個方面發展，我們可以預期，未來的神經微電極將同時具有這三種特性，為神經科學家提供前所未有的新穎的研究工具。
[1]Guosong Hong & Charles M. Lieber. Novel electrode technologies for neural recordings. Nature Reviews Neuroscience (2019)
[2]Jun J J , Steinmetz N A , Siegle J H , et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature, 2017, 551(7679):232-236.
[3]Raducanu B C , Yazicioglu R F , Lopez C M , et al. Time Multiplexed Active Neural Probe with 1356 Parallel Recording Sites. Sensors, 2017, 17(10):2388.
[4]Chung, J. E. et al. High-density, long-lasting, and multiregion electrophysiological recordings using polymer electrode arrays. Neuron 101, 21–31 (2019).
[5]Spieth S, Brett O, Seidl K, et al. A floating 3D silicon microprobe array for neural drug delivery compatible with electrical recording[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering, 2011, 21 (12): 125001-125016(125016).
[6] Kanno S, Lee S, Harashima T, et al. Multiple optical stimulation to neuron using Si opto-neural probe with multiple optical waveguides and metal-cover for optogenetics[C], 2013: 253-256.
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