神经科学领域在许多方面一直以来都难以探究，但它却具有巨大的潜力，可以促进我们深入了解大脑神经回路和神经功能、人类认知、情感以及神经系统疾病的诊断。除此之外，它还为提高人类能力方面提供了机遇，该领域已吸引了学术研究人员和行业创新者越来越大的兴趣。过去十年来，各界在捕捉和解读神经信号方面投入了大量研究，进而在脑机接口（BCI）技术的开发方面取得了突飞猛进的进展。这些接口可以实现神经活动与外部系统之间的直接通信，被视为改变人类与科技互动的关键工具。此外，脑机接口有望推动神经系统疾病治疗的重大进展，为临床应用和治疗干预提供前所未有的可能性。
材料科学和制造工艺的发展，为神经接口中的神经传感器、信号采集和处理系统设计提供了积极影响，这些设计通常分为两种主要类型：开环设计和闭环设计。开环系统的特点是单向信号监测和刺激，通常因其简单性和较低的计算要求而受到青睐。但其固有的局限性在于无法适应神经活动的实时变化，因此在动态精准个性化治疗方面效果较差。相比之下，闭环系统结合了实时反馈机制，可根据即时神经信号精确调节神经活动。虽然这种适应性具有相当大的优势，但也给神经探针器件的设计和制造带来了额外的复杂性。反馈回路的集成需要复杂的算法和更多的计算资源，这也给植入式器件的供电和热管理带来了挑战。此外，这些系统的微型化，尤其是电极和传感器的设计，也增加了复杂性，因为高密度电极阵列是实现精确信号采集和定向神经刺激的必要条件。
神经探针开发和应用的关键环节示意图
据麦姆斯咨询介绍，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员在Advanced Sensor Research期刊上发表了题为“Advanced Neural Probe Sensors toward Multi-Modal Sensing and Modulation: Design, Integration, and Applications”的综述性文章。文章全面综述了神经探针及传感器的设计、制造、信号采集和刺激方法、通信接口以及植入式神经探针在应用方面的最新进展。
该文章首先讨论了材料选择和结构设计的关键因素，这些因素对于开发生物相容性和耐用性神经接口至关重要。因此，植入式神经探针的设计必须在实现高性能信号采集和尽量减少不良生物反应之间取得微妙的平衡。该文章深入探讨了神经探针开发中常用的设计和结构，重点聚焦了刚性和柔性探针两大类的新兴趋势。
神经探针的制造和加工技术
神经探针的制造需要一系列复杂的微加工和材料处理技术，这些技术需要精心设计以确保精度、生物相容性和机械稳定性。该文章总结了神经探针的代表性制造工艺。这些工艺对于开发能够可靠记录神经元活动，并根据预期应用提供定向刺激的探针至关重要。神经探针的制造通常从材料沉积开始，将导电材料（例如金、铂或碳基化合物）沉积到刚性基底（通常是硅）或柔性聚合物薄膜上。高精度沉积技术，包括溅射、化学气相沉积（CVD）或电子束蒸发，可确保导电材料层的均匀性，这对于在神经接口中创建高效的电信号传输路径至关重要。
碳纤维神经探针的制造工艺示意图
神经探针中的关键信号接收和材料集成
神经探针作为一种多功能器件，可用于感测并调制来自大脑神经元的各种信号，包括电生理信号、各种神经递质的化学信号和光信号。该文章综述了神经探针系统最先进的传感和调制功能，重点介绍了电生理信号的探测，以及侧重于处理光信号和神经化学信号的神经探针。
神经探针光信号感知和刺激示例
此外，该文章还探讨了用于检测神经信号并提供定向刺激的方法，详细研究了电学、化学和光学传感方法。讨论涉及负责捕捉或释放这些信号的特定传感器和器件，强调了与每种信号模式相关的挑战和创新。然后，考虑到有线和无线传输模式，该文章探讨了确保神经探针与外部系统之间可靠通信的通信接口。
神经探针通信方法示例
应用
神经探针曾主要被视为一种实验工具，如今已发展成为实际的临床应用，展示了在治疗各种神经系统疾病方面的潜力。这些探针具有精确监测神经活动、刺激目标脑区和输送局部药物的能力。这些功能对于治疗癫痫、帕金森病、抑郁症和脊髓损伤等疾病至关重要。通过与大脑进行高空间和时间分辨率的互动，神经探针可促进更精确的诊断和治疗干预，从而改善研究和临床环境中的治疗效果。该文章总结了神经探针的代表性临床应用。
神经探针的应用示例
挑战与展望
虽然神经探针在感知各种神经信号、治疗神经系统疾病和推动脑科学研究方面取得了重大进展，但要充分释放其潜力，仍需应对若干关键挑战。
最主要的挑战之一是生物相容性。神经探针植入大脑后，往往会引发免疫反应，导致异物反应。随着时间的推移，会形成胶质瘢痕，将探针包裹起来，增加电极阻抗，降低神经记录的质量。瘢痕组织的存在不仅会影响探针收集数据的准确性，还会缩短其功能寿命。慢性炎症会进一步加剧这一问题，有可能损害周围的脑组织。
另一个重要问题是信号记录的长期稳定性。例如，随着时间的推移，电极会因腐蚀、生物污垢或大脑微动引起的位移而退化。保持稳定、高保真的记录对神经探针至关重要，尤其是在需要长期监测或治疗干预的临床环境中。
神经探针的尺寸在不断缩小，以尽量减少组织损伤并提高空间分辨率，但其微型化也带来了重大的技术挑战。更小的探针本质上更加脆弱，在集成多功能（例如电记录、光刺激和给药等）时面临更高的复杂性。供电和无线通信也是集成神经探针系统的重大障碍，空间分辨率和信号特异性相关的挑战也有待克服。
此外，成本和可扩展性也是重要的考量因素，尤其是在将神经探针从研究实验室转向临床环境的过程中。神经探针中使用的许多先进材料和制造技术的成本都很高昂，要实现大规模生产面临巨大挑战。确保以较低的成本生产这些技术，同时保持高性能，对于临床广泛采用至关重要。随着制造工艺的改进，规模经济可能有助于降低成本，但生产方法和技术还有待进一步研究。
展望未来，神经探针的发展前景十分广阔，业界越来越重视创建高度集成的多功能系统。神经探针技术的未来很可能由闭环系统来定义，这种系统不仅能简单地监测神经活动，还能提供实时反馈，对治疗进行动态调整。这种实时适应性有望彻底变革个性化医疗，为癫痫、帕金森病和抑郁症等神经系统疾病提供更精确的干预。通过将光学、电学和化学传感模式和调制能力整合到一个统一的平台，神经探针将推动诊断准确性和治疗效果的发展，特别是在脑机接口和神经修复学领域，使这些设备在解决复杂神经系统疾病时更加精确和灵活。通过应对与生物相容性、信号稳定性、微型化、无线通信、空间分辨率和可扩展性有关的挑战，神经探针和脑机接口技术的未来不仅充满希望，而且具有变革性。这些进步将推动我们了解大脑以及与大脑互动的方式发生深刻变化，开辟神经科学、医疗和人体增强的新领域。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adsr.202400142
