針型神經微電極制作技術進展及其在腦機接口中的應用

發布時間：2011/11/11 11:30:01

【摘要】近年來，植入式神經微電極已成為神經科學和微電子學一個新的研究熱點。本文對植入式神經微電極中最常用的針型微電極制作技術的發展、研究現狀以及在腦機接口中的應用進行了較為詳細地綜述，并討論了各種制作方法的特點和局限，展望了該領域進一步研究的方向。

【關鍵詞】腦-機接口 神經工程 神經假體 微機電系統 針型微電極

神經工程系統是目前生命科學研究的熱點領域，對于揭示神經系統的工作機理及探索神經疾病治療和康復的有效手段具有重要意義。作為神經-電子接口，植入式神經微電極是神經工程系統中最關鍵的部件。它的功能主要表現為兩種形式：一種是將神經活動轉換為電信號被記錄下來進行分析研究，一種是利用電信號激勵或抑制神經活動以實現功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)^①在神經組織和探測儀器之間建立有效和諧接口是一項極具挑戰性的任務。由于神經細胞體直徑通常在10μm至50μm之間，因此需要加工尺度在微米級的微型電極。傳統的研究方法是利用尖端金屬絲或微玻璃管進行記錄或刺激，但是，這類電極加工起來比較困難，空間分辨率較差，且難以實現多通道同時記錄或刺激。隨著微機電系統(microelectrome chanical system,MEMS)技術的發展，以微損傷的方式將針型微電極長期植入體內，構建空間分辨率高、特異性強、信噪比高且后處理簡單的神經工程系統已成為該領域研究一個重要發展趨勢。

植入式針型微電極的發展

盡管從全球范圍內來看，應用于神經工程系統中植入式針型微電極技術研究的歷史并不很長，但進展卻十分迅速。目前，針型微電極的發展已經從第一代轉入了第二代，并正在向第三代發展。第一代針型微電極多采用微絲電極或雙極玻璃錐狀電極(圖1)。微絲電極通常由超細金屬絲加工制作12~50μm，通過拉伸、削切、研磨或化學腐蝕等方法制作針尖。電極的絕緣通過涂漆、包覆玻璃或高分子材料來實現。玻璃錐狀電極主要是通過加熱毛細管拉制而成，錐狀針尖直徑最細可達約1μm。向毛細管空腔內灌注電解質，在尾部塞入導體電極和引線，即可進行神經刺激或記錄。另外，錐狀電極中放入神經營養因子，皮層神經元軸索在錐狀電極中可導向生長。但是這類電極加工起來比較困難，對操作者個人技巧依賴性比較大，且難以大批量制作。第二代針型微電極多為基于硅基底的陣列式微電極(圖2)，這類微電極是基于微加工工藝制作而成的。它的缺點也顯而易見，制作工藝比較復雜，制作成本昂貴。目前正在開發的第三代植入式針型微電極，則希望集成MEMS技術和IC芯片技術以及生物相容性技術(圖3)，將數以千計的微電極位點及其控制電路集成在紐扣大小的裝置內,達到更優的性能和工作效果^⒅。

植入式針型微電極的研究現狀

近幾年里來，現在MEMS系統和微激光精加工流程的不息進步和心智成熟，應用于微激光精加工流程的針型微電極材料片的實驗獲得了很快進步。之中帶表性的針型微電極材料片涉及下例這幾種： Utah式針型微電級它是由Utah師范大學生物制品工程施工系的Normann講解一把手的科研課題組生產的。圖4提示 了針型微電級掃描儀電子顯微相片，在4mm×4mm的底材上融合100根針型微電級，每根微電級針軸段長度為1.5mm，邊距為400μm。該微電級制做手工加工過程的特征 在用機裁割的方試換用記憶猶新蝕手工加工過程，在硅基面材料料上制做手工加工了具艱深寬比的針型陣列型式。其其主要手工加工過程生產流程圖甲5如下，前提采用其中一種比較特殊的金剛刀裁割儀器在硅片上劃個一編正交的挖管(圖5a,b)，旋涂上熔融的破璃鋼，并抽真空箱，促使破璃鋼包括粗糙可是幾乎覆蓋到挖管之上。然后呢機打磨拋光，早以外露硅單單從表面(圖5c)，以做到各Si電級中間這種接地的意義。隨即，在有破璃鋼的一堵淀積上鋁對于導電接點，在另一個說的是堵同等劃個正交挖管，厚度早以外露破璃鋼就要(圖5d)，這種就組成了硅型式這種接地的柱型陣列型式。后來采用化學物質侵蝕、接線封裝提交整微電級的制做手工加工過程。 Utah式針型微電級片的激光加工流程相對相對比較相對比較簡化，對機械學習環境必須較高，且受素材和的方式的上限，電級片長寬高難易做得更小，沒個電級片軸只在基礎科學有長個激起位點，比熱容難易的提升。還有，電級片的肌底和電級片軸皆是硅格局，如植入式某些話動的范圍越大的臟器(如別人的注意，勁椎等)，方便引發弄斷表現。圖6CMOS封口的Michigan微電級片

Michigan式針型微電極Michigan式針型微電極是由Michigan大學電子工程與計算機科學系Wise教授領導的小組開發的^⒆。他們通過微加工技術先在硅基材料上制作二維電極，然后通過模具組裝來形成三維針型微電極陣列。圖6顯示了一個4×4陣列的Michigan式針型微電極。

該電級的建設是關鍵在于能夠 硼的選取性吸附在硅襯底上基本概念針型微電級的外觀和板材高度，第二氣質聯用磨合狀物SiO2和Si3N4建設接地層，多晶硅磨合狀物建設接電纜成分，資料層磨合狀物相結合Liftoff藝建設電級激刺作用位點，并采用響應正鋁離子刻蝕藝得出所必需針型微電級要求成分，末尾能夠 刻蝕盡情釋放得出二維針型電級。應納稅所得額二維電級每根微電級軸總長為2.5mm，微電級距離為200μm，位點的總面積為100μm2，電級軸長寬比為40μm，板材高度15μm。成功二維針型電級，繼續使用深響應正鋁離子刻蝕建設Si資料組合組合夾具設計，成功立體圖像拆卸(圖7)。與直接的建設舉重若輕寬比的立體圖像針型微電級成分比較，減低了藝難度很大。特別該電級采用平米MEMS藝，能夠 合理化的鋪線可在單根電級軸上建設出各個激刺作用點，大大大增大了電級激刺作用點的規格。只不過建設Michigan式針型微電級要建設一種的組合組合夾具設計來成功立體圖像拆卸，該尺寸下組合組合夾具設計的識貧度，特別立體圖像拆卸和連線。

電子和光電器件的瑞典公司，該公司制作的針型微陣列電極主要是基于SOI材料，最終成品是一個二維單排結構(圖8)^⒀。電極軸前端寬25μm，后端寬75μm，軸厚20μm，軸長4~7mm。相鄰電極軸間距為200~400μm，電極刺激位點大小為10μm×10μm，電極軸上相鄰電極刺激位點的間距為50~200μm。其制作工藝流程如下：首先在SOI襯底上沉積一層Si3N4作為絕緣層，之后沉積一層金屬結合Liftoff工藝制作金屬導線;然后再沉積一層Si3N4作為中間絕緣層，并通過等離子刻蝕開出通孔;電子束蒸發Ti/Ir結合Liftoff工藝形成刺激點;再沉積一層Si3N4作為保護層，最后通過深反應離子刻蝕制作電極梁結構，并通過HF刻蝕SiO2層從基底釋放整個電極。單從二維結構來看，Acreo電極外形與Michigan電極比較相似，但是其制作工藝相對要簡單，且電極軸更長，在深腦刺激和記錄方面有更好的優勢。但是這種方法制作的微電極僅僅是一個單排結構，并不是完全意義上的三維微陣列，所有刺激點都排布在一個平面內，因而在多點刺激的選擇性和靈活性方面存在不足，使得這種微電極在應用方面具有較大的局限性。

任何微金屬電極片片片上面的類型針型微金屬電極片片片全部都是為硅材料的。現有拿來硅材料料外，和類型非硅材料料的針型微金屬電極片片片。后面 解釋但其中最典型示范不同非硅基針型微金屬電極片片片。

一種是由加洲大學洛杉磯分校Judy教授研制的^⒂，他采用電鍍的方式以金屬Ni代替Si制作電極軸桿體結構(圖9)，電極軸桿體長度可長達22mm。其制作過程主要可以分為兩部分：1)在Si表面制作電極刺激點、焊點和互連導線;2)通過層層電鍍方式制作具有完美尖端結構的電極軸桿體。該工藝平面工藝再結合電鍍方式制作針狀桿體結構，巧妙地繞開了直接微加工三維結構的復雜步驟。而且以金屬Ni，相對于增加了機械圖9UCLA式針型微電極示意圖強度，可有效實現深腦刺激。同樣此工藝的不足也在于只適合制作二維針型電極結構，難以實現高密度集成。

另一種典型的非硅基針型微電極是由MIT的一個研究小組開發的，他們利用EDM(electricdischargemachining)工藝來構造高深寬比的三維結構^⒃。EDM是在近幾年才引入微電子行業的技術，主要是通過電弧“切割”金屬。MIT制作的電極所使用的材料是鈦-鋁-釩合金(Ti90 Al6 V4)。最后完成的電極軸長度為5mm，間距400μm。然后通過化學腐蝕、陣列組裝等步驟完成整個電極的制作(圖10)。EDM工藝只能用于切割導體，這樣各電極軸之間的絕緣和布線互連工藝將成為一個難點。另外，與Utah式針型電極一樣，每根電極軸上只在尖端有一個刺激位點，密度有限。

植入式針型微電極在腦機接口中的應用

植入式腦機接口近幾年來成為了BMI研究的一個亮點，其研究成果在Nature等權威刊物多次進行了報道。早期的研究多以鼠類做實驗，電極則多采用發展最為成熟的微絲和微管電極。1999年，美國Duke大學醫學中心的Nicolelis研究小組通過在大白鼠腦內植入微絲電極陣列，使其能控制簡單的機械臂^⒇。首次報道的這種方法證明了同時記錄神經元群信號實現腦機接口的可行性。此后，人們將實驗轉向了大腦和四肢與人類結構相似的靈長類動物。2000年Duke大學Wessberg等^⒇通過在夜猴的運動皮層區植入微絲電極陣列來記錄神經元群的信號，并利用此信號成功地實現了對遠程機械臂的同步實時控制。該研究小組還證明了電極植入達兩年之久，仍可保持有效的記錄。最早報道直接將電極植入人腦皮層進行腦機接口研究的是美國Emory大學的Kennedy博士^②。他在1998年將錐狀玻璃微管電極(含神經營養因子)分別植入兩個病人的大腦皮層，通過訓練，病人通過集中精力想象某種肌肉的運動，來控制計算機屏幕上光標的移動，從而實現某些選項操作。然而，由于技術、倫理等多方面的原因，目前尚無多大進展。

隨著第二代針型微電極技術的成熟，近年利用該類針型微電極進行腦機接口研究的報道越來越多，尤其是發展得較為成熟的Utah式針型微電極。2002年Brown大學的Serruya等利用Utah式針型微電極陣列記錄到猴子運動皮層神經元群的信號，并通過變換成功地實現了對計算機上的光標的控制而無需訓練。另外，Stanford大學的Santhanam等通過在猴子腦皮質層植入含96根刺激點的Utah式針型微電極實現了對電腦鍵盤字鍵更快、更準確的選擇(~15個單詞/分鐘)。最近，Nature上報道Hochberg等^⑺將Utah式針型電極植入一個癱瘓病人運動皮質區，成功地實現了對假肢、機械臂的基本動作的操控。這個實驗的意義在于:通過長期植入針型微電極陣列于大腦皮層，記錄神經元群的電信號，能實現對復雜的機械裝置的實時控制，隨著技術的進步，該技術的實用將給殘障人士帶來福音。

另外值得一提的是植入式針型微電極在反向BMI系統中的應用，2002年Nature雜志報道了一個非常有趣的實驗，Talwar等^⒃在大白鼠腦內植入了3根微絲刺激電極，老鼠經過訓練之后，就能在遙控器的引導下通過各種障礙物。這些老鼠能用于需要像老鼠一樣操作而現代機器人無法勝任的各種搜救任務中。目前這種控制大腦的反向BMI系統尚未應用于人類。盡管這個實驗目前僅僅實現了通過神經刺激訓練來影響動物決定的一種控制方式，但是卻告訴了人們一種新的可能性。也就是說這種植入式系統或許能夠以一種新的方式刺激已有的系統(如:對視覺系統增加紅外敏感性)，甚至通過將大腦的一部分與機械裝置連接起來，融合出一種新的能力，從而創造一種全新的人類感覺體驗。

結論

綜上所述，作為神經電子接口器件的植入式針型微電極技術目前仍處于初始階段，仍存在許多問題和難點，尤其是微電極植入后對神經系統的損傷是其中一個最重要的問題。Kennedy等^⑦在玻璃微管電極植入中所采用的在記錄電極微管中充入神經營養因子的方法為我們提供了一個很好的思路，或許將現有的基于MEMS工藝的針型微電極技術與微流體技術結合，通過在針型微電極上加工微流體腔體和管道，實現植入后神經營養因子的釋放，促進受傷神經的營養和再生，可以較好地緩解微電極植入后的損傷問題。盡管目前植入式針型神經微電極技術還存在許多問題，但是近年來MEMS技術的進步，以及神經科學研究的深入，極大地促進了植入式針型神經微電極技術的快速發展，微電極的設計和材料更加多樣，各種性能(如電學、機械強度、生物學相容性、刺激的選擇性、安全性等)更加接近實用。隨著微米技術和納米技術的進一步發展，以及系統集成技術的改進，作為神經-電子接口的植入式針型神經微電極技術必將為我們探索神經系統和腦的奧秘以及尋求治療神經疾患的有效手段提供更為有力和靈活的工具。

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