微電極陣列

微電極陣列(MEA)（也稱為多電極陣列）是包含多個（數萬到數千個）微電極的設備，通過這些微電極獲取或傳遞神經信號，本質上充當將神經元連接到電子電路的神經接口。有兩類一般的微電極陣列：可植入的MEA，用于體內，和不可植入的MEA，用于體外。

微電極陣列可根據其潛在用途分為子類別：體外和體內陣列。

標準類型的體外微電極陣列采用8x8或6x10電極的模式。電極通常由氧化銦錫或鈦組成，直徑在10到30μm之間。這些陣列通常用于單細胞培養或急性腦切片。

體外MEA面臨的一個挑戰是使用使用高功率透鏡的顯微鏡對它們進行成像，需要微米量級的低工作距離。為了避免這個問題，已經使用蓋玻片創建了“薄”-MEA。這些陣列約為180μm，可用于高倍率鏡頭。

在另一個特殊設計中，60個電極被分成6×5的陣列，間距為500μm。一組內的電極間隔30微米，直徑為10微米。諸如此類的陣列用于檢查神經元的局部反應，同時還研究器官切片的功能連接性。

空間分辨率是MEA的主要優勢之一，當使用高密度MEA時，它允許以更高的精度獲取遠距離發送的信號。這些陣列通常具有256個電極的方形網格圖案，覆蓋面積為2.8x2.8mm。

基于CMOS的高密度微電極陣列提供了更高的空間分辨率，該陣列具有數千個電極以及集成讀出和刺激電路，位于縮略圖大小的緊湊芯片上。甚至已經證明了沿單個軸突傳播的信號的分辨率。

為了獲得高質量的信號，電極和組織必須彼此緊密接觸。穿孔的微電極陣列設計將負壓施加到基板上的開口，以便組織切片可以定位在電極上以增強接觸和記錄信號。

降低電極阻抗的另一種方法是通過修改界面材料，例如通過使用碳納米管，或通過修改電極結構，例如使用金納米柱或納米腔。

可植入MEA的三大類是微線、硅基和柔性微電極陣列。微絲MEA主要由不銹鋼或鎢制成它們可用于通過三角測量來估計單個記錄神經元的位置。基于硅的微電極陣列包括兩個特定模型：密歇根和猶他陣列。密歇根陣列允許更高密度的植入傳感器以及比微線MEA更高的空間分辨率。它們還允許沿著柄的長度獲得信號，而不僅僅是在柄的末端。

與密歇根陣列相比，猶他陣列是3D的，由100個導電硅針組成。然而，在猶他州陣列中，僅從每個電極的尖端接收信號，這限制了一次可以獲得的信息量。

此外，猶他州陣列的制造具有設定的尺寸和參數，而密歇根州陣列允許更多的設計自由度。靈活的陣列，由聚酰亞胺、聚對二甲苯或苯并環丁烯比剛性微電極陣列更具優勢，因為它們提供了更緊密的機械匹配，因為硅的楊氏模量遠大于腦組織的楊氏模量，從而導致剪切引起的炎癥。

神經元交流的基本單位至少是動作電位。這種全有或全無的現象起源于軸突小丘，導致細胞內環境去極化，沿軸突傳播.這種通過細胞膜的離子通量會在細胞外環境中產生急劇的電壓變化，這是MEA電極最終檢測到的。

因此，電壓尖峰計數和分類通常用于研究表征網絡活動。與電壓測量相比，尖峰列車分析還可以節省處理時間和計算內存。

尖峰時間戳被識別為單個電極測量的電壓超過閾值的時間（通常由非活動時間段平均值的標準偏差定義）。可以進一步處理這些時間戳以識別突發（近距離的多個尖峰）。對這些列車的進一步分析可以揭示尖峰組織和時間模式。

一般來說，與更傳統的方法（如膜片鉗）相比，體外陣列的主要優勢包括：

• 允許一次放置多個電極而不是單獨放置
• 在相同的實驗設置中設置控制的能力（通過使用一個電極作為控制，其他電極作為實驗）。這在刺激實驗中特別有趣。
• 能夠在陣列中選擇不同的記錄位置
• 能夠同時從多個站點接收數據
• 來自完整視網膜的記錄非常有趣，因為它可以提供實時光學刺激，例如，可以重建感受野。

此外，與膜片鉗相比，體外陣列是非侵入性的，因為它們不需要破壞細胞膜。

然而，就體內陣列而言，與膜片鉗相比的主要優勢是高空間分辨率。可植入陣列允許從單個神經元獲得信號，從而獲得可用于控制假肢裝置的運動位置或速度等信息。

在動物行為過程中，至少在嚙齒動物中，可以使用數十個植入電極進行大規模并行記錄。這使得這種細胞外記錄成為識別神經回路和研究其功能的首選方法。然而，使用多電極細胞外陣列明確識別記錄的神經元仍然是一個問題。

與膜片鉗和動態鉗系統相比，體外多邊環境協定不太適合記錄和刺激單細胞，因為它們的空間分辨率較低。與動態鉗的能力相比，MEA電極可以有效傳輸到其他細胞的信號的復雜性是有限的。

微電極陣列的植入也有幾種生物學反應，特別是在慢性植入方面。這些影響中最值得注意的是神經元細胞丟失、神經膠質瘢痕和功能電極數量的減少。

組織對植入的反應取決于許多因素，包括MEA小腿的大小、小腿之間的距離、MEA材料成分和插入時間段。組織反應通常分為短期反應和長期反應。短期反應發生在植入后數小時內，并以設備周圍的星形膠質細胞和神經膠質細胞數量增加開始。

招募的小膠質細胞然后引發炎癥并開始吞噬異物的過程。隨著時間的推移，被招募到設備中的星形膠質細胞和小膠質細胞開始積累，在陣列周圍形成一個鞘，在設備周圍延伸數十微米。這不僅增加了電極探針之間的空間，而且使電極絕緣并增加了阻抗測量。陣列長期植入的問題一直是這些設備研究的驅動力。

一項新的研究檢查了慢性植入引起的炎癥的神經退行性影響。免疫組織化學標記顯示出令人驚訝的過度磷酸化牛磺酸<SPan style="font-family: var(--theme-font-family);color: #262626">?(tau)?蛋白的存在，這是阿爾茨海默病的一個指標，靠近電極記錄部位。

電極材料的吞噬作用也引發了對生物相容性反應的質疑，研究表明這種反應很小，在體內12周后幾乎不存在。將器械插入的負面影響降至最低的研究包括用促進神經元附著的蛋白質（如層粘連蛋白或藥物洗脫物質）對器械進行表面涂層。