面向腦機接口的猶他神經電極技術

謝凡，奚野，徐慶達，劉景全

微米/納米加工技術國家級重點實驗室，上海交通大學微納電子學系，上海 200240

1 引言

神經系統疾病作為人體所有部位中最難治療的，嚴重降低了患者的生活質量。腦機接口在大腦與外部設備之間建立直接通信1,2，有助于了解其產生、傳輸和處理信息的機制，以針對目前無法治愈的大腦疾病開發新的療法。在腦機接口的應用中，通過癱瘓病人運動皮層的神經信號可以驅動外部設備，如控制電腦和機械臂3,4。另一方面，連接大腦的醫療設備可以通過電極發射電脈沖刺激目標區域，抑制和調節活動異常的神經信號，從而通過神經調控來治療疾病。如深部腦刺激(Deep Brain Stimulation，DBS)已用于治療帕金森5、癲癇6等病癥。

神經電極作為腦機接口的核心部分，關系到大腦與外部設備間的信號傳遞，按侵入方式不同神經電極可分為植入式、非植入式兩種。相比之下，植入式電極距離神經元更近，具有信號質量好、時空分辨率高等優點，可以記錄局域神經功能微區甚至單個神經元的放電活動。

在過去的幾十年里，借助硅、玻璃、金屬加工技術，植入式電極被制造成記錄點呈二維(2D)或三維(3D)分布的陣列結構，以選擇性地與目標腦區中的大量神經元相互作用。由于單個金屬絲微電極的簡單有效性，Nicolelis等7,8早期曾嘗試將多個金屬絲微電極手工組裝成2D陣列。隨著表面微加工技術的發展，基于光刻等方法創建了新一代的硅基平面電極陣列9，其中一些2D多通道電極陣列被組裝成3D陣列10,11。……