下一代电生理学——再见了，大探针

时间：2021-03-24 00:00:00 来源：网络整理

日本丰桥技术科学大学电子与电子信息工程系，计算机科学与工程系，应用化学与生命科学系，电子启发跨学科研究所（EIIRIS）和国立理工研究所茨城学院的研究小组开发了一种直径小于3微米的超小针电极，带有用于细胞外记录的放大器。该团队提出了一种组装技术，通过一个称为“STACK”的单针电极顶部放大器封装，在大约1×1 mm2的器件几何形状内。堆叠装置能够以高信噪比（SNR）记录体内小鼠大脑的神经元活动。由于与传统电极相比具有小针几何形状的巨大优势，堆叠装置在记录期间提供高生物相容性和最小化的组织损伤，以及进一步的长期和安全的慢性记录直指下一代电极技术电生理学。

微针电极装置已被用作理解大脑如何工作的有力手段，从而做出了重大贡献。然而，针的几何形状应在生物相容性和长期应用方面进一步小型化，以避免组织损伤：i）约50μm的几何形状会增强血脑屏障破坏；ii）>20μm导致神经胶质之间的局部通信分布；iii）<10μm不提供严重的创伤性组织损伤。尽管微/纳米级制造技术的优点使得能够形成约10μm的针电极，但是较小的针电极导致电性能降低，不能记录神经元信号。

研究小组通过使用组装技术克服了这些限制，其中将具有<3μm直径针电极的模块堆叠在称为单针顶部放大器封装（STACK）器件的放大器模块上。

“为了改善直径小于10μm的微型硅针电极的电性能，我们提出了将低阻抗材料附加到针尖的沉积过程，并展示了直径为7μm的大鼠的神经元记录针和5μm直径针的小鼠记录针。然而，堆叠过程增强了针头尺寸，限制了针头的小型化。为了应对这一挑战，我们使用了一种不同的方法，其中在小针电极的末端嵌入了一个小放大器（源跟随者）。我们证实了神经元记录中的放大效应，因为用放大器检测到神经元信号，但没有放大器检测不到信号。这一结果使我们进一步实现了针头小型化，”文章的第一作者，硕士生Yuto Kita解释道。

发展背景：

研究团队的负责人，副教授Takeshi Kawano说：“在这个设备概念之前，我们首先尝试了另一种制造方法，其中硅针电极与放大器集成在同一硅衬底上。然而，这种的效果并不是很好，
由于在（1×1）-硅衬底上用高温硅生长（汽-液-固生长）制造的硅针与在（100）-硅上的MOSFET之间的工艺不匹配。本手稿中报道的技术首次出现在我们每周的小组会议上，我在那里与学生和博士后成员进行了讨论。紧接着，我们将设备技术命名为STACK。”

未来展望：

他继续说：“虽然我们使用单通道电极演示了器件技术，但使用相同的技术可以增加电极的数量。由于放大器嵌入实现的电极阻抗降低了大约500倍（1 kHz时>5MΩ），针的几何形状可以进一步小型化，可能是纳米级，这将开辟一类新的电生理学。研究小组还指出了其他设备问题，如厚基板（>1毫米）；该团队一直在探索制造过程，使器件基板薄而灵活，以实现进一步减少组织损伤的长期和安全的神经元记录。

原文检索：
Yuto Kita, Shuhei Tsuruhara, Hiroshi Kubo, Hirohito Sawahata, Shota Yamagiwa, Koji Yamashita, Shinnosuke Idogawa, Yu Seikoba, Xian Long Angela Leong, Rika Numano, Kowa Koida, and Takeshi Kawano (2021). "Three-micrometer-diameter needle electrode with an amplifier for extracellular in vivo recordings," proceedings of the National Academy of Sciences, 10.1073/pnas.2008233118.

（生物通：伍松）

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