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在体神经界面时代的发展

从小到大范畴纪录

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代研究院，深港脑科学改造研究院

咱们大脑的功能，包括感明白、畅通限度、学习和挂牵，齐是由分散在多个大脑区域的神经元群体通过配合行径完竣的。[1]大脑自己吊唁常优柔的，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。

神经元是完竣脑功能的主要基本单元。它是一种能收受、处理和传递信息的电兴盛性细胞。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，和从胞体延迟出来并远隔胞体的纤维-轴突。树突收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贯串点。[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。神经元的电行径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。在细胞外扬弃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，大脑区域的脾气，以及纪录电极的阻抗和灵验往复面积决定的。凭据纪录电极扬弃的位置不同，纪录到的电信号可分为四个类型[1]：

（1）头皮脑电图(EEG)信号是从新皮纪录的，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纪录的，为中等节律信号(振幅1μV-500μV，频带<200Hz)；

（3）局部场电位(LFP)主如若在脑组织里面纪录到的。它是电极周围总共离子经过形成的电位的叠加效能，是较快节拍的信号(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。

动作电位是胞外纪录的信号中信息精度和数据保真度最高的。它是从一丛有功能贯串的神经元中纪录到的单单元行径(SUA)和多单元行径(MUA)信号中索求出来的。当单个神经元上的突触电流完竣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频带中发扬不显着。与单和多单元行径信号比较，LFP信号面对电极机灵度或电极位置变化时有较高的鲁棒性。在脑组织内纪录的神经电信号的时代分裂率齐能达到约3ms，而空间分裂率互有各别。单单元行径纪录的最高空间分裂率在0.05mm阁下，其次是多单元行径纪录的0.10mm和局部场电位的0.50mm。[3]

皮层脑电（ECoG）信号来自傲量皮层锥体神经元的突触后电位同步化行径。与LFP信号同样，与单神经元纪录信号比较，ECoG信号不大容易受到电极和脑组织相对微畅通的影响。可是，ECoG是在脑皮层名义纪录的，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信号的时空分裂率齐会略低于皮层内纪录的信号。[4]ECoG信号的时代分裂率约为5ms，空间分裂率约为1mm。[5]ECoG电极并不刺入皮层神经组织中，不会引起显着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）是从新皮上纪录信号的。由于神经信号会被低电导率的颅骨显赫衰减，EEG的时空分裂率均远低于ECoG。它的时代分裂率约为50ms，空间分裂率约10mm。[6]

头皮脑电图等无创时代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、分裂率低等原因，性能尚难以满足实用条目。[3]植入式时代的信号质地较高，但需要通过手术将电极植入颅内。其中ECoG时代需要在硬脑膜内或外扬弃电极，分又名为硬膜下ECoG和硬膜外ECoG。与头皮脑电图比较，硬膜下ECoG电极阵列网络的数据具有高得多的时空分裂率，可是够不上神经元动作电位级别。[7]刺入式电极不错将信号分裂率提高到神经脉冲水平，但因会挫伤脑组织，刺入的空间范围就受到了散伙。格外是用于恒久的慢性纪录时，刺入的电极可能会激励弥远性的局部脑组织挫伤。可是刺入脑组织中的细胞外纪录电极简略取得脑内恣意深度的动作电位(AP)和局部场电位(LFP)信号。它网络的是具有最高时代和空间分裂率的胞外神经电信号，因此在神经电生理学研究中得到了最平庸的运用。

胞外神经电生理纪录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狡计单元，并进行数据的及时处理、存储和可视化的经过。传统型纪录系统各组件包括[8]：

（1）一组具有电信号传感叹点的无源电极探头，通过柔性或刚性的贯串线贯串到

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

（3）数据网络单元，进行信号的预处理并将数据传输到

（4）具有普遍的数据处理、存储和可视化狡计智商的中央狡计机中.

在这篇综述中，咱们不会较多盘问纪录系统的信号处理和数据狡计部分，而将重心探讨由电极探头和前端芯片组成的神经界面部分。

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研究的微电极，它的使用不错纪念到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，只表现微小的金属顶端。（Fig1.A）玻璃包覆钨微丝的电极不错使用通俗的器具拉制，其顶端可达到与脑皮层中神经元的胞体大小格外。使用这种电极曾初次纪录到了围聚放电神经元胞体的细胞外神经行径信号，而且达到了高信噪比。基于这种电极的神经纪录时代在神经科学研究史中作念出了大量热切孝敬，在低级视皮层、海马体、颞下皮层等脑区，针对嗅觉、知觉和畅通限度的神经关联方面齐进行了首创性的研究。[10-13]慢性植入纪录实验标明，直径小于20µm的微线电极不错显赫评述脑组织对插入微丝的排异反馈。

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归拢信源的神经元电信号由空间位置稍稍不同的4个电顶点同期检测到。（图1.B）这种电极小阵列中每个电极金属触点的直径频频小于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]使用聚类门径对细胞外电位信号进行分类就能分离出相邻神经元各自觉出的脉冲。[16]

单线和多线电极基本齐是手工制作的，东谈主工制酿本钱较高且无法大范畴出产。由于加工精度较低而且对阻抗和步地等目的的可相易度不高，这种微电极频频被看作是“艺术品”。但也恰是由于不错手工制作，该时代在好多神经电生理学实验室中得到了平庸使用。

犹他阵列（Utah array）

犹他阵列是一种仍是买卖化的用于脑皮层内植入的电极阵列，接纳了平面外加工工艺。犹他阵列由约100根硅针形电极组成，硅针间距400μm，导电顶端裸露直径10-30μm。(Fig1.C)该阵列接纳MEMS时代经过化学微加工、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壮健的慢性纪录并惨酷了将通盘电极阵列闭塞在颅骨内的想法。Utah阵列的假想决议恰是责罚了带支捏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，对脑皮层的隐敝面积和电极密度较平衡，而且得当慢性纪录的特色，它主要用在大型动物，格外吊唁东谈主类的脑神经信号纪录中。但由于硅针电极较短（一般不杰出1.5mm），它比较得当纪录脑皮层的神经信号。犹他电极与微线电极的同样之处在每根针上只消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气将其植入。[16, 18, 19]

犹他阵列及配套的纪录系统仍是被好意思国食物和药物管束局(FDA)批准用于皮层内信号脑机接口时代(iBMI)的临床研究。犹他阵列咫尺主要用在畅通脑机接口临床查考中，该实验通过将畅通研究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挫伤的畅通功能。(Fig1.D)主要的门径是在患者大脑中认真肢体畅通的脑皮层区域植入单个或多（两）个犹他阵列。咫尺在非东谈主灵长类实验中完竣了在归拢只猕猴的视皮层同期植入总和杰出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）

另一种买卖化的微电极阵列-密歇根探针是接纳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。它接纳包括了在硅上千里积金属和蚀刻等时代的微机电系统(MEMS)时代制造。[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纪录触点，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，是以密歇根电极更得当对脑组织结构从纵深的标的进行纪录。

多极探针是密歇根探针的一种变体，其假想目的是密集地对一丛相邻的神经元中进行胞外多单元纪录。(Fig2.A)多级探针具有多个间隔精致的纪录位点，格外于四极电极神经单元阻隔功能的改造版，纪录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纪录位点大小的一致性，而且较容易定制探针的步地（单个或多个杆）和凭据要纪录脑区的结构定制探针杆上纪录位点的位置。[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网罗进行密集的立步地电生理纪录。[23](Fig 2.B)由一维的窄条多电极探针扩张成高电极密度的二维电极阵列，进而堆叠成三维电极矩阵。这是个有很强可扩张性的模块化搭建决议。电极矩阵的后端通过高密度柔性导线贯串到进行信号调度、多路复用和数字化的集成电路上。这么不错灵验幸免无源电极在机械、电子和热源上受到有源器件的影响。在慢性纪录实验中，电极阵列在脑组织中处于浮动状况而且植入了电极的脑组织上边被硬脑膜和颅骨隐敝的情况下，恒久纪录的效能比较梦想。慢性纪委用的硅探针阵列的基座不会植入到脑组织中，但又不可阻碍颅骨的闭合，因此要假想得很矮小才行。总体看来，慢性纪委用的电极矩阵的假想是密歇根探针和犹他阵列的羼杂立场。

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纯真性，而纪录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，也表当今不错跟着植入的脑组织一谈转移，从而减少了对神经组织的剪切挫伤。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，形成通达网格结构的电极阵列。这么的假想进一步增强了团聚物探针的机械娇娆度而且因为减低了引线间的平行度而评述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娆贴附在皮层名义的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纪录到神经元的动作电位。[24]这种电极阵列的样品具有256个纪录位点，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接纳了PEDOT：PSS，其电子离子羼杂的高电导率和高离子迁徙率显赫评述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的娇娆薄膜，使其简略精致贴附在姿色不递次的脑皮层名义(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).

在保证较高纪录电极密度的前提下，通过提高纪录电极的数目，扩大对脑组织的隐敝面积，不错完竣跨越多个脑区同期纪录大量神经元的电行径。这么不错为领会神经功能网罗的组织经过以及神经元群体对特定明白行径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）

这个假想的特色是，接纳互补金属氧化物半导体(CMOS)时代完竣了纪录电极和多路复用电路集成到归拢根硅探针中，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归拢个加工硅片上。(Fig4.D)

神经像素1.0是基于130nm CMOS工艺制造的。960个纪录电极和与之相贯串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根贯串线和基座连结。5×9mm2大小的基座上有可确立的384通谈信号预处理集成电路认真双波段纪录（脉冲频段30KHz/每通谈，局部场电位频段2.5KHz/每通谈）并通过数字端口以杰出20MB带宽向网络板发送数据。天然有960个纪录位点不错采纳，但神经像素1.0可同期纪录的信号通谈数只消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个纪录位点，不错在1×10mm2平面内密集地纪录神经信号。(Fig4,C)神经像素2.0是双探针单元结构，因此共有10,240个纪录位点，同期纪录的通谈数就达到了768个，但体积却缩小到了神经像素1.0的1/3阁下。[28]神经像素探针在保证上千个纪录位点的前提下，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安装的举座体积。[29]在纪录动物脑神经信号时，这个假想不错相称灵验地缓慢对动物的拘谨。

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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执意。它不但对脑组织的插入挫伤较低而且纪录效能也很好。如果想用到大范畴纪录中来，需要率先责罚由大量微线组成的电极阵列贯串到放大器阵列的连线问题。[30]“Argo系统”惨酷的责罚决议是，使用清除涂层将绝缘的微线段增粗，然后把它们捆扎成一束，这束绝缘微线的间隔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，就形成了一个近似犹他阵列的刺入脑皮层的纪录安装(Fig5.B)。相干于犹他阵列，Argo的紧要进取表当今总的数据混沌量上，该系统的原型机具有在32kHz单通谈采样率和12位的信号分裂率下同期对65536个通谈连气儿纪录的智商。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杰出30000通谈的微线阵列不错纪录到刺激诱发的局部场电位。[31]这种“老树开新花”与得当范畴化出产的CMOS工艺居品嫁接的门径提供了一个有进一步扩张空间的大范畴神经界面平台。

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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）

神经链公司的大范畴纪录决议是研发刺入式薄膜团聚物神经探针阵列。咫尺不错作念到在近百根线（对应于硅探针的杆）上共叮嘱数千个电极触点。[32-34]（Fig6.A,B）团聚物探针天然有很好的娇娆度，神经组织相容性也较好，但不够坚毅不可寂寥时平直插入脑组织中。神经链公司成心开拓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，并自动隐没皮层名义血管进行电极植入的智商。神经链提供的是一个系统级的责罚决议，包括仍是封装在一谈的柔性团聚物探针阵列和定制的用于信号网络的低功耗微型电子安装(Fig6.C)，以及不错自动向脑皮层植入电极的植入机械。咫尺该系统的有线传输版块是起先进的大范畴在体神经电生理学研究平台。该系统的无线版块是第一个统统体内植入的临床前研究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纪录质地，且植入后很少会有刺激或挫伤脑组织的情况。[36]μECoG阵列不错密集地采样神经电行径，索求出更丰富的时空神经信息，不但可用于恒久纪录脑行径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刻多路复用电子安装平直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，通过成立两层金属互连线加上镶嵌式多路复用器，完竣了用近百根引线从含有一千多个纪录位点的高密度电极阵列中纪录神经信号(Fig7.B)。该电极阵列为28列36行模式，隐敝范围为9×9.24mm2 (Fig7.A)。如果给每个纪录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（一般毋庸杰出1KHz），不错在一个二维扫屏周期内对总共神经矩阵内的电极位点进行纪录。而神经像素的每个通谈需要的采样率较高，它接纳的多路复用门径是在每次纪录前从可纪录位点里采纳出不杰出引线总和的位点进行纪录。[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）

最近有一种新开拓的千通谈级的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，通过铂纳米棒修饰完竣较低阻抗。(Fig 8.B,C)该阵列的纪录位点间距可在150μm到1.8mm间成立。网格隐敝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，借助这种高空间分裂率的电极阵列，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经过。[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范畴纪录开拓的电极阵列齐是一步地加工的，每个电极触点的相对位置齐已信服，而且要四肢一个举座植入脑内。针关于此，下一代神经界面的假想想路被提了出来：电极植入位置不错寂寥纯真成立，植入范畴能达到洪水横流，而且要具有纪录和刺激双向功能。[41]通过将单个传感功能器件四肢一个网罗节点进行超袖珍化并保捏较高的信号保真度，一种稳妥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观点考据实验。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)每个神经颗粒齐是一个寂寥的密封模块，大小为500µm×500µm×35µm，接纳近场感应耦合时代进行经皮无线供电。[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，在临床标的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.

微系统：

由于传统的神经界面器件的传感叹点数目有限（频频小于100个），导致要么是以较低的时空分裂率对较大范围脑区进行采样，要么是以较高的时空分裂率网络一小块体积内的神经元信号。连年来，不管是对研究照旧临床运用的神经信号纪录时代，齐惨酷了在高保真地网络神经信号的前提下，增多采样量，提高采样密度的条目。咫尺的大圭表神经电信号纪录时代不错建议为：具有在一厘米及以上圭表范围内，同期对一千个以上的传感叹点进行信号纪录的智商。[39]

同期不错纪录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贯串线数散伙。因为探针杆的截面积决定了刺入式探针的组织伤害进度，贯串线的数目就被探针杆的宽度散伙住了。[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贯串线的密度，导致信号串扰和电磁干涉的增强。为了优化组件间的贯串和布线，最猛进度的评述噪声和通谈串扰，格外是畅通伪迹的影响，研究东谈主员惨酷了几种集成电路假想决议，触及了缓冲、多路复用、放大以及信号预处理功能。有源电极的观点被提了出来，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），在原位责罚高电极阻抗问题，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。其它打破布线瓶颈的门径有在电极上平直集成供电复用电子安装。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，缩小植入物的寿命。刺入式探针的尺寸越小，在脑组织中的相对位移就越小，信号就越壮健，但为电极触点、贯串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，贯串线的排布就越来越密集。在电极触点附近叮嘱有源电路，天然不错优化布线，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挫伤的一个评价要素了。

隐敝较大面积脑组织而且以高采样率网络大量神经元电行径信号的需求，鼓吹了高时空分裂率、高通谈神经界面时代的开拓，包括接纳高性能电子电路安装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，包括评述举座功耗、放大器降噪和增多走线密度等方面。跟着信谈数增多，神经电信号放大器假想在面积和功耗上受到很大散伙，而且贯串相称微小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，不错通过缩小高密度的贯串线来评述噪声。比如使用CMOS工艺（制备集成电路）与MEMS工艺（制备传感电极）相荟萃的方式来灵验地普及电极和放大器的通谈数。神经链（Neuralink）—四肢一个系统级的责罚决议，仍是完竣了微电极阵列和ASIC与信号预处理以及通讯模块的集成。大圭表神经界面集成安装研发面对的最大挑战可能来自运用和振荡方面。只消经过买卖振荡成为不错平庸使用的科研器具或是经过临床批准的医疗器械，才气体现这个时代投资的价值。

功能性神经替代体是脑机接口时代在临床界限的一个热切运用场景。患者但愿简略通过神经替代体与外界环境进行交互。针对咫尺使用的有线数据传输型植入式脑机接口安装，升级为无线数据传输会有不少克己，比如脑机安装更为冒昧好意思不雅，用户的行径范围大幅扩大，用户体验普及等等。安装被统统植入到头皮下的话，头皮就会统统闭塞，从而幸免信号线出口部位的感染风险，也便于用户活起程材。但使用无线数据传输可能会引起伦理问题的盘问，因为脑机接口系统通过无线网罗进行通讯时有网罗信息安全风险，可能会表示被觉得是奥妙的患者信息。四肢植入式医疗确立，脑机接口的系统测试必须在与东谈主类高度同样的动物模子，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。在神经科学研究界限，格外是对动物解放行径行径的神经机制研究，需要同期监测动物的肢体畅通、个体间互动和神经行径，无线传输网络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，信号网络的数据带宽需求也跟着普及，对无线数据传输智商惨酷了严峻挑战。此时需要议论接纳低带宽的信号网络门径来评述无线传输压力。比如不再纪录每个信号通谈的齐备宽带波形，而简化为仅网络神经元脉冲事件信息（保留或断念脉冲波形）。Neuralink无线版就接纳的这个办法。而凭据猕猴和东谈主的皮层内信号脑机接口解码研究，1kHz的数字化采样率取得的LFP频段信号足以满足功能运用。这些网络门径不错把传输带宽至少压缩几十倍，或者不错用开释的带宽纪录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假想。

电极

“密歇根探针”和“犹他阵列”这两种微型电极阵列在时代上仍是比较闇练，咫尺是神经科学研究和探索性临床研究中最平庸使用的神经电信号探伤器具。犹他阵列、四极电极和微线阵列的电极触点齐在顶端，会在脑皮层内形成一个基本与脑名义平行的网络平面。[9,17]而密歇根探针是在垂直于脑名义的平面内采信号，不错纪录到脑皮层不同层结构中的神经行径。[46]

为了提高电极纪录的空间分裂率，微电极触点的名义积要够小，排布要够精致，这么才气有较高契机完竣与单个神经元通讯。依托闇练的微纳加工时代，触点密集排布的微电极阵列仍是完竣了量产。在探针的步地和体积信服的情况下，缩小电极触点不错增多纪录位点的数目。如果一个探针名义隐敝满电极触点，而且每个触点齐不错同期读取信号的话，这种探针插入脑组织导致的挫伤却换取了最大量的神经元信息。要网络到细微的神经电信号，格外是达到单个动作电位检测的话，电极就要有很高的机灵度。高机灵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馈发生前单元面积的最大可交换电荷）。可是电极阵列的空间分裂率和机灵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，增多触点的鄙俚度和孔隙率不错增多灵验名义积，从而评述电极阻抗，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，假想上还要稳健兼顾步地要素和机械性能。关于脑皮层名义型电极，接纳优柔的ECoG电极网格结构会有助于增大电极触点和脑组织的往复面积，减小脑-电极之间的阻抗，同期也大幅减少了对脑组织的挫伤。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责罚。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

硅是一种得当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、高可相易性、低出产本钱和易于加工几何步地等优点的硅基微电极阵列是神经生理学研究用电极的主流。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表现阻抗较高而电荷注入量却不高的问题。[38]这严重散伙了对电极阵列空间分裂率的进一步普及。

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馈上有较好的发扬。如PEDOT：PSS，具有邃密的生物相容性、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馈。可是PEDOT和金属电极之间存在粘附性较差的问题。[38]Au/PIN-5NO2/PEDOT这种夹芯结构假想既保捏了PEDOT的电化学性能和生物相容性，又同期保证了机械壮健性。

咱们但愿往时能开拓出与神经组织特征具有高度同样性的纳米材料，完竣与神经元的无缝衔尾与功能交融，而且不错在脑内恒久的证据效能。

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