利用无电池无线神经传感系统，通过微电极高效记录啮齿动物神经元的活动

《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》：Efficient Recording of Rodent Neuronal Activity Using Microelectrodes With a Battery Free Wireless Neurosensing System

开发新型无线电池供电神经传感系统，通过被动阻抗匹配网络和低阻抗微电极设计提升信号质量，实验显示其与有线系统在体感皮层多单位神经元放电和局部场电位记录上具有等效性。

　　

影响声明：

为了解决现有有线和无线电池供电设计在监测神经活动方面的局限性，我们的团队开发了一种新型的……显示更多

摘要：

为了解决现有有线和无线电池供电设计在监测神经活动方面的局限性，我们的团队开发了一种新型的可植入、无电池的无线神经传感系统（WiNS）。我们的目标是开发低阻抗微电极，以提高记录颅内活动时的最小可检测信号强度。首次在体内评估了WiNS系统，发现其在添加了被动阻抗匹配（PIM）网络后能够捕捉到多单位神经元放电现象。我们探索了不同的微电极制造技术，并证明了这些技术显著降低了系统信号衰减。具体来说，我们能够恢复20 μVpp的信号强度，比之前的设计提高了10倍。此外，我们还制造了微驱动器，以便将WiNS系统与有线系统进行“金标准”对比实验。利用实验所需的组件，我们记录了大鼠体感皮层的神经活动。通过对低频成分（对应于局部场电位LFP）和高频成分（对应于多单位神经元放电活动）的分析，对宽带电生理信号进行了多尺度研究。LFP分析包括提取体感诱发电位以评估每个系统的记录结果。同时，我们也分析了神经元放电的发生和特征。两种尺度下的结果均表明，使用WiNS系统进行的记录与有线系统的记录结果相当（p值<0.050，Mann-Whitney检验）。因此，通过添加PIM和精心设计微电极，WiNS系统得到了商用有线系统的验证。此外，WiNS系统为神经科学领域提供了无数连续监测神经活动的新应用。

引言

颅内神经活动监测技术对神经科学研究至关重要。它们有助于理解神经元网络之间的通信机制，从而为大脑功能理论提供依据[1]、[2]。宽带颅内电位记录能够同时观察群体活动（局部场电位LFP）和多单位活动（MUA），从而更全面地评估神经活动[1]、[3]。在过去二十年里，研究重点集中在开发用于动物实验的颅内神经活动记录技术上，主要关注以下方面：a) 增加通道数量；b) 减小设备/阵列的体积；c) 无线通信；d) 制造适用于宽带/多尺度记录的微电极。然而，临床监测患者的电生理系统并未从这些技术进步中受益。特别是临床系统通常采用有线连接[4]，这可能导致感染和炎症风险[5]、[6]。相比之下，现有的无线系统（如RNS系统、Neuropace和Percept^TM PC、Medtronic）虽然有所改进，但它们主要用于深部脑刺激，并且存在一些问题，尤其是在电池供电方面[7]、[8]、[9]、[10]。因此，这些无线系统的植入物体积较大且存在安全隐患[11]、[12]。为了解决现有有线和无线电池供电神经记录器在监测颅内活动方面的不足，我们的团队开发了一种无线、可植入且无电池的设备——无线神经传感系统（WiNS）。