脑科学研究中常用的神经电信号记录电极介绍

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在脑科学和神经科学的研究中，神经电生理信号（如脑电EEG、局部场电位LFP、动作电位Spike等）是领域内研究者分析、研究的主要对象之一。在分析研究之前，最重要的任务是如何有效地把这些信号检测、提取出来。要想得到稳定、高质量的神经电生理信号，就离不开一种重要的工具——神经电信号记录电极（下文简称记录电极）。这些记录电极按照是否是侵入式的，可以分为两大类：非侵入式记录电极和侵入式的记录电极。本文，笔者对脑科学研究中常用的记录电极做一个简单的介绍。

非侵入式记录电极

常见的非侵入式记录电极就是头皮EEG记录电极，其一般是中间带孔的金属片（中间的孔用于打脑电膏，当然现在也有不用打脑电膏的电极），如图1所示。

图1

目前所用EEG记录电极一般是银/氯化银（Ag/AgCl）电极，一般是在金属电极片上镀上一层Ag/AgCl。研究表明，Ag/AgCl记录电极记录到的EEG信号比较稳定。此外，一个个的记录电极一般按照标准导联（如10-20系统）固定在电极帽上，如图2所示。

图2

侵入式记录电极

1、金属微丝电极
金属微丝电极的材料一般采用金、铂、铱等金属，其直径一般小于100 微米，外表面包裹一层很薄的绝缘层，而微丝电极的末端形成裸露的平面或锥形尖端，当这些裸露的表面接触到神经细胞表面时，就可以记录到这些神经细胞的放电活动，金属微丝电极一般植入动物脑内(如图3所示),用于记录动物脑内神经元的动作电位spike信号或者局部场电位LFP信号。

图3

在扫描电镜下金属微丝电极的末端如下图4所示，可以清楚看到电极尖端裸露的金属和外表包裹的绝缘层[1]。

图4

2、玻璃微电极

玻璃微电极一般采用加热拉伸的方法将毛细玻璃管拉制成锥形尖端，尖端细至几个微米，并在毛细玻璃管中灌入导电液，使得所记录的组织与采集设备之间具有良好的导电性。当尖端接触到神经元表面时，就可以记录到其放电活动。玻璃微电极制备简单，尖端尺寸容易控制，目前已经广泛地用于膜片钳等神经电生理实验中，如图5所示。

图5

3、硅基微电极

说起硅基微电极，就不得不提到两个非常著名的代表，即Michigan硅基微电极和Utah硅基微电极。Michigan硅基微电极是Michigan大学的Wise教授团队于1970年报道的世界上首个硅基微电极。Michigan微电极采用采用面内（in-plane）设计的方案，即微电极记录位点、焊盘和引线都处于微电极杆的一个面内，如下图6所示[2]。这些微电极记录位点、焊盘和引线的材料一般是金或铂，通过一定的技术手段印制在硅基上。裸露的微电极记录位点一般为边长几十微米的正方形，且一个硅基微电极上分布有多个采集位点。一般用于动物颅脑内spike或LFP信号。

图6

另一个非常著名的Utah微电极，其结构上与Michigan微电极有所不同，其采用面外设计（out-of-plane）的方案，即记录位点是一个个凸起的针状尖端，如下图7所示[3]。

图7

近几十年来，硅基微电极快速发展，在Michigan微电极和Utah微电极的基础上研发出了不同结构、具有多重功能的硅基微电极，为神经科学的研究提供了不可或缺的技术工具。

4、大脑皮层电信号（ECoG）记录电极
ECoG记录电极一般是放置在颅骨下、皮层上进行脑电信号的记录，其一般用于需要做脑部手术（如癫痫病灶切除手术）的病人进行短时间急性信号记录。ECoG记录电极一般是把多个金属电极位点通过一定的技术印制一张柔性薄膜上，如图8所示[4]。

图8

参考文献
[1] Musallam S, Bak MJ, Troyk PR, et al. A floatingmetal microelectrode array for chronic implantation[J]. Journal of NeuroscienceMethods, 2007, 160 (1): 122-127.
[2] Wise KD, Angell JB, Starr A. An Integrated-CircuitApproach to Extracellular Microelectrodes[J]. Biomedical Engineering IEEETransactions on, 1970, BME-17 (3): 238-247.
[3] Fekete Z. Recentadvances in silicon-based neural microelectrodes and microsystems: a review[J].Sensors & Actuators B Chemical, 2015, 215: 300-315.
[4] Bastos, A.M., Vezoli, J., Bosman, C.A., Schoffelen, J.-M., Oostenveld, R., Dowdall, J.R., De Weerd, P., Kennedy, H., Fries, P., 2015. Visual areas exert feedforward and feedback influences through distinct frequency channels. Neuron 85, 390–401
[5]未注明图片来源于网络

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