流浪的军刀
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大脑是生物体内结构和功能最复杂的组织, 人的大脑内有上千亿个神经细胞,每个神经细胞可以有成千上万个突触与其它神经细胞形成连接,组成极其复杂的神经网络, 快速传导和处理神经脉冲信号. 大脑对于外界事件的响应以及信息处理的每一个过程,都需要涉及许多神经细胞的共同作用, 显然, 要获取每一个神经细胞工作过程中的电信号变化是不可能的, 但是, 要揭示大脑完成信息处理的复杂机制,必须获得活体大脑环境中足够数目的神经细胞的电活动信息。
微电极检测技术的发展和应用一直是神经电生理研究的关键, 上世纪中期毛细玻璃管拉制的玻璃微电极的发明, 使人们可以将电极尖端插入神经细胞内, 考察细胞体或轴突、 树突内的电位变化, 用玻璃微电极实现的膜片钳技术甚至可以记录到细胞膜上单个离子通道的电流信号, 极大地推动了神经电生理学在细胞水平和分子水平的研究。
但是, 在活体大脑中使用玻璃微电极进行细胞内记录或进行膜片钳记录是一项难度相当大的实验操作技术, 每次只能记录到少数 1~ 2 个神经细胞的电信号, 也无法长时间或长期记录细胞电信号.除了毛细玻璃管电极以外, 人们还使用绝缘的细金属丝制作电极, 由数根金属丝制作的电极植入大脑组织, 每根金属丝暴露的尖端可以记录到多个细胞外动作电位,一束金属丝就可以同时记录到大量单细胞动作电位( multiple single unit, 以下将细胞外记录的单细胞动作电位简称为 Unit 电位) . 金属丝电极是至今为止动物行为和认知研究中 Unit 电位检测的主要方法之一 .但是, 金属丝微电极一般都由实验室人员自己制作, 方法复杂, 不易操作,电极质量也难以保证.
近年来, 采用先进的微电子集成电路制造技术, 以半导体硅为材料的多记录点微电极阵列技术迅速发展,产品的成功率和重复性问题得到了较好的解决. 这种电极具有体积小、 记录点多、 结构形式多样化、性能稳定可靠等特点. 电极植入大脑组织后, 对神经细胞的损伤小,可以在二维、 甚至三维脑区中同时检测多达上百个记录点的场电位和神经细胞的 Unit 电位. 这种微电极阵列
不仅在神经电生理学实验研究中获得了成功的应用, 近几年还被成功地用于临床残疾病人的康复治疗, 成为实现思维控制机器 的脑机接口的主要手段之一. 另外,高密度微电极阵列记录技术的应用, 还将揭示神经细胞之间相互连接形成神经网络的信息, 极大地推动神经编码、 神经网络信号处理和信息存储机制的研究, 以及智能计算机系统的开发.为了促进我国在微电极阵列开发和应用领域的快速发展, 本文介绍用于在体大脑神经细胞电信号记录的半导体集成微电极阵列的制造工艺、 结构、 使用特点及其应用进展, 并且,介绍微电极阵列检测神经细胞电号的方法和原理, 最后, 分析了微电极阵列今后的发展方向, 探讨了在电极制造、 信号记录和信号分析方面亟待解决的一些问题。
