[发明专利]一种高密度多模态神经微电极阵列及其制备与集成方法

说明书

本发明公开了一种高密度多模态神经微电极阵列及其制备与集成方法。目前，大部分的高密度密西根微电极(单根100通道以上)都没有集成光刺激通道和微流体通道，而集成了光刺激通道或微流体通道的密西根微电极的电极点密度往往偏低。本发明拟采用一种基于微流体通道内“零线间距”布线的高密度多功能集成机制，实现微电极对神经环路进行高时空分辨率的记录与刺激。另一方面，为了提高神经微电极在体内长期植入的稳定性，本发明拟采用一种微流体给药和术后位置调整相结合的减轻胶质包覆的新机制，为实现微电极对光诱发神经信号进行长期高信噪比的记录提供理论基础。

技术领域

本发明属于MEMS生物传感器技术领域，具体涉及一种用于神经信号检测的高密度多模态神经微电极阵列的制备与集成方法，该芯片是通过MEMS微加工和微组装技术在SOI衬底上实现神经微电极阵列的制备与集成。

背景技术

大脑的功能，如感知，运动控制，学习和记忆，产生于分布在多个大脑区域的神经元集体的协同激活过程。如今，在理解单个神经细胞的反应特性方面虽然已经取得了重大进展，但对复杂神经环路之间的相互作用机制仍然知之甚少。理解这些相互作用的一个基本障碍是很难同时测量行为动物大脑中大量分布神经元的活动。电生理记录一直是监测大脑的黄金标准，这是因为它直接测量神经元的电活动，具有极高的时间分辨率，使其足以捕捉到最快的神经元动作电位细节。目前，电生理记录神经微电极的主要瓶颈是小侵入性与大空间探测范围、高空间分辨率之间的矛盾。因此，通过新型的微纳加工技术实现高密度、小体积、阵列化的神经微电极制备，是脑机接口器件研究中需要解决的首要关键科学问题。

霍华德休斯医学研究所的James J.Jun等人在论文“Fully integrated siliconprobes for high-density recording ofneural activity”中基于CMOS多路复用开关电路，设计、制造和测试了一种名为“神经像素”的新型硅探针。每个探针有384个记录通道，可编程寻址960个TiN记录电极点。通过将两个“神经像素”探针植入到小鼠的五个脑区中，他们同时记录到了超过700个独立神经元的动作电位信号。然而，采用以上方法制备的高密度神经微电极都不具备光刺激和流体给药功能，这使其功能性和长期植入的稳定性较差。为此，美国密西根大学的E.Yoon教授在论文“Monolithically Integrated mu LEDs onSilicon Neural Probes for High-Resolution Optogenetic Studies inBehavingAnimals”中将12个微LED和32个记录电极点单片集成在4个硅基微探针上，同时实现了分辨率小于1微米的光刺激和电生理记录。E.Yoon团队在论文“3D multi-functionalneural probe array for mapping functional connectivities in a 3D neuron chip”中进一步将16个记录通道、1个微流体通道以及1个光波导集成在4个硅探针上。该方法制备的多功能神经微电极能够同时实现光/电刺激、微流体给药以及神经电记录的功能。通过对上述关于神经微电极的研究现状进行分析不难发现，目前大部分的高密度密西根微电极(单根100通道以上)都没有集成光刺激通道和微流体通道，而集成了光刺激通道或微流体通道的密西根微电极的电极点密度往往偏低。这主要是因为目前大部分高密度密西根微电极的制备工艺与光波导或者微流体通道的制备工艺兼容性较差导致的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，利用MEMS微加工技术实现具有电记录、光刺激和流体给药功能的新型高密度多模态神经微电极阵列的制备与集成。