來自美國得克薩斯大學(xué)達拉斯分校(The University of Texas at Dallas)的Joseph J.Pancrazio教授在Micromachines期刊發(fā)表了文章，提出了新型非晶碳化硅微電極陣列在老鼠腦部運動皮層的性能增強的研究。

可植入微電極陣列(MEAs)能夠記錄大腦皮層神經(jīng)元的電活動，用于包括腦機接口在內(nèi)的應(yīng)用。然而，在長期植入條件下，由于大腦的異物反應(yīng)，MEAs的記錄能力會降低，所以開發(fā)具有新型涂層或架構(gòu)的MEAs以減少組織反應(yīng)尤為重要。本研究考察了具有相似架構(gòu)但橫截面面積不同的多支腳平面型硅基器件與低彎曲剛度的非晶硅碳化硅(a-SiC)微電極陣列(MEAs)的相對性能。這些器件的架構(gòu)相同，但橫截面面積有所差異，將橫截面積較大的硅基陣列植入雌性Sprague-Dawley大鼠的運動皮層中，并在植入后16周內(nèi)每周進行記錄。在植入期間，比較了不同類型設(shè)備之間記錄的單個單元指標。總體而言，在整個植入期間，a-SiC設(shè)備測量的單個單元表達量明顯高于硅基MEAs。免疫組織化學(xué)分析表明，與硅基設(shè)備相比，a-SiC MEAs植入后大腦皮層周圍的神經(jīng)炎癥和神經(jīng)膠質(zhì)增生減少。我們的研究結(jié)果表明，與本研究中使用的硅基設(shè)備相比，具有較小柄橫截面積的a-SiC MEAs可以更穩(wěn)定地記錄單個單元活動，并且表現(xiàn)出較低的炎癥反應(yīng)。

材料和方法

此圖顯示了本研究中使用的a-SiC微電極陣列和硅基微電極陣列。(A)硅基MEAs的圖像。(B)組裝好的a-SiC型MEAs的圖像。(C)硅基MEAs的支腳和電極位置的放大圖像。(D)a-SiC型MEAs的支腳和電極位置的放大圖像。將五只雌性Sprague-Dawley大鼠(美國馬薩諸塞州威爾明頓市Charles River實驗室)植入硅基MEAs，并與之前使用a-SiC MEAs(n=7)收集的數(shù)據(jù)進行比較。動物術(shù)后恢復(fù)7天后開始記錄數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)記錄

此圖顯示了一個具有代表性的濾波神經(jīng)記錄、光柵圖以及與兩個單個單元相關(guān)的波形。(a)經(jīng)過濾波的神經(jīng)記錄以及顯示與兩個單個單元相關(guān)的脈沖活動的點陣圖，其中藍色和粉色分別代表這兩個單元。(b)從(a)所示的神經(jīng)記錄中識別出的兩個單個單元，每個單元的平均波形以粗體顯示。

數(shù)據(jù)分析

采用比例檢驗法對兩組植入術(shù)后一周的AEY(活性電極產(chǎn)率)進行了比較。使用Shapiro-Wilk檢驗評估了單個單元Vpp和總壽命百分比變化的正態(tài)性，由于數(shù)據(jù)非正態(tài)，因此未通過檢驗。通過曼-惠特尼檢驗比較了聚類分析所確定的MEAs組的平均AEY。使用簡單線性回歸評估并比較了Vpp、噪聲、SNR和時間內(nèi)的峰電位率的組間分布情況。

使用Shapiro-Wilk檢驗評估了組織學(xué)數(shù)據(jù)的正態(tài)性，所有數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。然后進行了兩因素方差分析，以比較距植入孔的距離對a-SiC和硅基探針的GFAP強度和神經(jīng)元密度的影響。隨后進行了Tukey的事后檢驗，以確定a-SiC和硅基探針組織學(xué)在統(tǒng)計學(xué)上無差異的距離。數(shù)據(jù)以均值±標準誤的形式呈現(xiàn)。統(tǒng)計分析使用GraphPad Prism(10.4.1(627)，Dotmatics，美國波士頓)進行。

結(jié)論

在這項研究中，作者證明了在為期16周的慢性研究中，a-SiC微電極陣列(MEAs)能夠比基于硅的MEAs更穩(wěn)定、更持久地記錄單個神經(jīng)元單元。這些記錄保持了更高的活性電極產(chǎn)率(AEY)，同時各個通道在峰值到峰值電壓方面也表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，并且能夠檢測到單個神經(jīng)元單元的存在。這些改進的記錄結(jié)果得到了組織學(xué)分析的支持，并且與硅基探針相比，在大腦皮層中植入的a-SiC探針對組織的反應(yīng)更低。

總體而言，a-SiC微電極陣列(MEAs)為慢性神經(jīng)記錄提供了一個極具前景的平臺，它具備增強的單個神經(jīng)元單元記錄性能、降低的免疫反應(yīng)以及對周圍神經(jīng)元結(jié)構(gòu)更好的保存能力。這些發(fā)現(xiàn)突顯了a-SiC探頭在延長和提升神經(jīng)植入物的壽命及功能方面的潛力。