神经探针

学习、记忆和肌肉运动等许多功能失调是由大脑中一种名为谷氨酸盐的神经递质数量异常所引起的。如果谷氨酸盐的浓度能够得到准确地监控，外科医生将能够发现并去除谷氨酸盐水平调控失效的细胞。

应用于神经通路研究的微机电系统探针与低功耗低噪声单集成芯片系统

针对神经内海马区谷氨酸化学递质与神经电生理信号的并行双模检测需要,设计了8通道电化学递质与电生理双模并行检测传感芯片微系统,系统组件包括:基于SOI(Silicon-on-insulator)工艺衬底制备的微机电系统MEMS(Micro-electro-mechanical system)神经信息检测探针、低噪声颅内神经电小信号放大器、低功耗中速SAR(Successive approximation register)-ADC(Analog/Digital Converter)模/数转换器、精简低能耗OOK(On-Off-Keying)/FSK(Frequency-Shift-Keying)调制射频发射器。本微型神经信息传感芯片系统具有体积小、抗干扰、化学递质与电生理信号并行检测、灵敏性好、线性度高等特点。对电生理裸探针的4个电生理位点表面沉积铂黑,电极阻抗优化为35.0 kΩ;通过酶固定技术在谷氨酸检测位点上纳米定向修饰酶复膜结构(Pt-m PD-Glu Ox)以形成具有特异选择性的生物识别点,实现神经化学递质谷氨酸的检测;在6~35μmol/L谷氨酸浓度范围内线性度是0.97,单位面积灵敏度是0.0069 pA/(μmol/L),电流响应误差<3.0 pA,表明此探针可以实现特异选择功能。同时,基于数模混合180 nm的ASIC(Application specific integrated circuit)芯片制造工艺(SmicRF180 nm 1Poly6M)制造的神经电生理传感后端信息调理单芯片,其内部关键测试指标:微弱小信号低噪系电压放大器(等效输入噪声电压≤0.7μV rms,增益>70 dB,电源/共模抑制比>100 dB等)、SAR-ADC(有效量化位数是12 bits,功耗1.2 mW,最大转换速率1 Msps,信噪比为60.9 d B)、ASK/FSK调制的射频发射器(功放PA 4~5 d Bm,输出功率满足10 m辐射距离)。此微型神经信息感知处理芯片集成检测系统,可为海马区神经通路的研究提供便携、普适性的无线可穿戴设备。

混成式三维神经元微探针阵列的制备

提出了一种混成式三维神经元探针阵列结构和相应的制备流程。制备流程主要包括倒焊互连工艺和多刀片切割工艺,采用倒焊工艺将厚硅片直接倒焊到读出电路上,采用多刀片切割工艺直接将硅片切割成硅针阵列。该制备流程不包含高温工艺和硅腐蚀工艺,不损伤电路,实现了硅针阵列与电路直接集成。通过集成电路可以简化接口,降低引脚数量,制备的神经元探针阵列的规模可以不受引线口数量限制,可以覆盖一个完整的脑功能区。制作了规模为10×10的神经元探针阵列,探针的中心距为400μm。探针的底座高度为30μm,底座宽度为360μm,底座之间的空隙为40μm。探针宽度为100μm,高度为1 470μm。针尖的角度为25°。初步测试结果表明探针阵列是满足神经元信号探测。

轻掺杂硅基神经电极的光噪声消减

硅基神经电极是记录神经细胞放电活动的一种实用工具。使用标准的集成电路加工技术,在宽度仅为70μm的单个硅基针上能排布上千个电极记录位点。光遗传学的发展使控制神经元活动更加精确,通过在给予光刺激的同时记录神经元的电活动,可以获取更丰富的脑活动信息。当使用黄光或蓝光刺激神经元时,光子的能量大于硅衬底的禁带宽度,价带电子被激发到导带,从而生成电子-空穴对。因此,在光刺激下使用硅基神经电极时,硅基板中的光生载流子将严重干扰电极的信噪比。为满足在光刺激同时记录电活动的应用需求,必须减少光对硅基神经电极的噪声干扰。传统的降噪方法是使用重掺杂硅作为衬底材料,通过增加杂质浓度来降低载流子寿命,从而降低硅电极的光学噪声。但是,重掺杂的硅衬底比轻掺杂的硅衬底具有更多的晶格缺陷,这使得硅基电极更加脆弱,并且该方法与标准的集成电路加工技术不兼容。通过分析在轻掺杂硅衬底上制造电极的光致噪声机理,我们发现由光激发产生的载流子的不均匀分布将使轻掺杂硅衬底极化。由光致极化引起的电势将影响在其上制造的电极。将轻掺杂硅衬底金属化和接地将有效降低极化电位。使用这种方法,由光诱发的噪声幅度将下降到原始值的0.87%。为了确保神经元的放电率,将光刺激脉冲频率选择为20 Hz。在1 mW·mm^(-2)的光照下,电极的背景噪声可控制在45μV以下,可以满足一般光遗传学应用的需求。经过上述方式改造后的轻掺杂硅衬底将满足光遗传学应用对神经探针的要求。与传统的通过重掺杂整个衬底降低光噪声方法不同,该方法与标准的集成电路加工技术兼容,为利用标准集成电路加工技术制备高密度、高通量硅电极提供了噪声消除方法。

聚噻吩及其衍生物在生物医学领域的应用

做为导电聚合物(CPs)中的重要一类,聚噻吩及其衍生物在电学和光学上显示出了同金属和无机半导体相似的性质。同时也显示出了不同于一般聚合物的特殊性质,如合成和处理容易等。本综述概述了近二十年来聚噻吩及其衍生物的研究进展,包括聚噻吩及其衍生物的合成、性质,以及其在生物医学领域,包括在神经探针和生物传感器中的应用。其中,对聚噻吩在神经探针方面的应用做了重点阐述。本文还对今后聚噻吩及其衍生物在生物医学领域的研究提出了一些具有挑战性的问题。

2019年中国脑科学研究进展

脑是人体最为复杂的器官,揭示脑的奥秘被认为是生命科学研究的"终极疆域"。迄今,脑科学研究在微观和宏观层面上已取得了一系列重大进展。中国科学家也为脑科学的发展做出了积极的贡献。在过去1年里,中国神经科学家在以下几个方面取得了重要成果:①脑功能原理,如进一步揭示了捕食、防御等本能行为的神经环路机制;②脑疾病的发病机制与诊治,如抑郁症、焦虑症、社交障碍的发病机制,亨廷顿病潜在的新疗法;③新技术、新材料的开发与应用,如新型去甲肾上腺素神经递质探针的开发,应用新型纳米材料使小鼠获得红外光感知能力。本文遴选了其中具有代表性的工作,并对其进行介绍。

纳米光遗传探针的发展与应用

作为光遗传学的重要工具,纳米光遗传探针用于实现对生物体神经元的光刺激,能够辅助神经科学家更具特异性地探索大脑的工作机制,有望用于神经疾病的发病机理分析和治疗。研究人员针对光遗传学刺激的刺激强度、刺激范围、刺激模式、时空分辨率等要求,开发了具有不同光学功能的探针,也针对丰富探针功能如原位电生理记录、化学或生物分子递送等要求,开发了多功能的神经探针。为克服传统光电子器件刚性不可弯折、易对生物体造成损伤等弊端,柔性光学神经探针应运而生。这一类探针在植入时对生物体的损伤小,在植入后能够维持稳定的出光强度,其使用寿命得到保证。本文围绕不同类型、不同功能的光遗传探针以及光遗传探针中的柔性技术进行综述和展望。

2023年脑机接口领域发展态势

脑机接口是人脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接交流与控制通道。由于其战略重要性,脑机接口已经成为各国战略布局的重点。本文简要介绍了脑机接口领域的发展历程,重点从战略布局、科研进展与产业应用等角度系统梳理了2023年该领域的最新进展,并展望未来发展趋势。2023年,神经编解码算法、神经探针与芯片等脑机接口领域核心技术取得重要进展,功能性超声脑机接口等新型脑机接口不断涌现,应用领域已经从医疗扩展到科研、娱乐等领域,重要企业取得多项里程碑进展。未来,脑机接口硬件将向小型化、高通量、柔性化发展,编解码效率和质量将大幅度提升,促进脑机接口功能从替换和恢复向改善、补充和增强转变,应用领域将进一步拓展。随着脑机接口的广泛应用,其伦理安全问题将受到重视。

光遗传学用多功能光纤

光遗传学融合了光学、遗传学与基因工程,以其高时空分辨率和细胞类型特异性两大独特优势克服了传统手段控制神经元活动的许多缺点,为神经领域提供了革命性的研究手段。光遗传技术的发展取决于功能化神经探针的开发。集成了光电多功能模块的多功能光纤探针具有体积小、生物相容性高等优势,可广泛应用于光遗传学中,成为该领域当下研究热点。首先,介绍了光遗传学用神经探针需具备的基本功能,神经探针的分类及集成式神经探针的制备工艺,其次,对应用于光遗传学的多功能光纤探针的国内外研究现状进行了综述,最后,讨论了光遗传学用多功能光纤目前存在的问题及可能的解决方案。

钨丝微电极阵列的简易制备方法

本文提出了一种简易、低成本的钨丝微电极阵列制作工艺和方法。该方法采用MEMS工艺制作的玻璃模具实现钨丝阵列的精密有序排列,同时,在钨丝电极表面涂覆一层光敏性的聚酰亚胺作为绝缘层,结合"双面光刻"技术和电化学腐蚀技术实现电极位点大小和电极丝几何尺寸的精确控制。最后,通过注模、光刻制作SU-8固定座体完成钨丝微电极阵列的组装固定。整个制作工艺简单快速,且玻璃模具可重复使用,大大降低了制作成本。此外,本文还测试和评价了所制作微电极的表面形貌、电学性能以及生物相容性。

Neuralink:让人脑连接电脑

“人类已经算是半个电脑人或是半机械人了。或许只需要四到五年时间,我们就会拥有一个有意义的脑机接口。”由日本著名动画改编的《攻壳机动队》正在世界各地火热上映。当人们对各种眼花缭乱的未来科技应接不暇,并对电影中未来人类与机器融合后的社会变迁产生热议之时,亿万富翁埃隆·马斯克又开始了他的未来新探索——实现人机互联,在大脑(中枢神经系统)