用于人类神经元记录的高密度微电极

多尺度记录人脑活动是临床医学的重要工具。 记录细胞外动作电位（也称为“单单位活动”（SUA））的能力为了解人类以及各种非人类动物的神经元功能细节提供了基础见解。 在人类中，记录细胞外动作电位的技术相对有限。 多家公司制造的刚性、尖头探针已获得 FDA 批准，并在各种外科手术过程中常规用作护理标准的一部分，例如深部脑刺激 (DBS) 设备植入，以识别神经元活动区域并优化临床电极的放置。 同样的技术已被用来更好地了解人类的大脑功能及其因疾病而受到的损害。 此外，还有多种半长期植入微丝技术可供使用。 这些电极更常用于癫痫症患者，并且可以深入了解内侧颞叶和内侧额叶等网络行为。

然而，动物研究中使用的现代电极的记录能力与目前临床上可用于人体测试的电极的记录能力之间仍然存在巨大差距。 目前临床护理中使用的典型刚性轴单电极将一次记录 1-3 个明显孤立的神经元。 相比之下，在最先进的动物研究中，神经像素电极 [4-6] 等更高密度的探针现在通常可以记录单个大脑区域中的数百甚至数千个神经元。 这种显着增强的记录能力直接转化为更好地理解大脑神经元和网络如何相互作用以产生复杂的行为和疾病。 大多数常用的高密度电极都基于刚性硅轴，其上嵌入了多个记录触点（通常由铂、铱、金或导电聚合物制成）。 硅基探针在将其应用于大脑，特别是人类的应用中存在一些显着的局限性[7]首先，硅很脆弱，使得电极容易断裂，这使得它们对于人类应用来说存在风险。 此外，硅微加工工艺对于制造大型设备来说是不切实际的，将商用探针长度限制在 20 毫米左右，这对于人脑的大多数临床应用来说太短了。 此外，现有产品中的电极触点和前置放大器之间的连接需要将刚性电路板附接到电极上，这很难使用，并且需要前置放大器非常靠近电极。大脑。 虽然有 FDA 批准的硅探针版本（即用于脑机接口的犹他阵列），但这些应用仅限于用于表面皮层记录的 <2 毫米长的短探针。 所述固有的材料和工艺限制使得硅基探针技术不太可能为人脑更深的位置提供临床上可用的探针。 因此，研究人员寻求利用一种新型的可翻译技术进行临床应用。

研究人员试图测试一种更强大、更可靠的技术来记录人脑中大量的单个神经元。 Diagnostic Biochips Inc.（马里兰州 Glen Burnie）是一家电极制造商，该公司开发了一种新型电极，该电极由不锈钢轴和嵌入该轴上的一系列基于聚酰亚胺的高密度电极组成。 事实证明，这种类型的电极设计对于啮齿动物和非人类灵长类动物长达 8 厘米的大脑深部穿透具有高度可靠性。 钢制载体非常坚固，完全避免了与硅基和其他高密度探针设计相关的破损问题。 同样，基于聚酰亚胺的电极是一种众所周知的无生物毒性材料，具有良好的耐受性，并且是目前 FDA 批准的众多产品的一部分。 DBC 深阵列电极直接连接到安装在轴另一端的 Intan（加利福尼亚州洛杉矶）微处理器。 该微处理器产生数字信号，因此可以在微处理器和用于记录数据的Intan放大器单元之间利用长连接，而不会丢失任何信号或增加噪声。 此功能对于提高患者安全并降低记录过程中的任何感染风险至关重要。 钢具有刚性，不像硅那样容易断裂。 此外，只需使用更长的不锈钢轴来安装高密度聚酰亚胺阵列，就可以将这种类型的电极做得更长。 虽然目前制造的用于动物研究的 DBC 深阵列长度为 40-80 毫米，但长达 300 毫米的长度是很容易实现的。 这与硅基和其他高密度系统可实现的最大 10 -20 mm 长度形成对比。 探测深层大脑结构（例如人脑基底神经节）需要 >100 毫米的长度，这在临床环境中是常规操作。 DBC 电极可以同时记录多达 1024 个单独通道。 DBC 装置已成功用于非人类灵长类动物，并经过了预期用于人类的生物相容性、细胞毒性、灭菌和安全测试。 这些测试的结果全部通过，结果报告附在本协议中。