基于单片集成碳纳米管晶体管的植入式神经探针实现多模态神经信号监测

《Nature Communications》：Implantable neural probes with monolithically integrated CNTFET arrays for multimodal monitoring

本刊推荐：为突破同步记录大脑电信号与化学信号的技术瓶颈，研究人员开发出单片集成碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）阵列的植入式神经探针（MICA-NP）。该探针可在7.0 T磁共振成像（MRI）环境下同步记录信噪比达40.34 dB的局部场电位（LFP）和检测限低至0.47 nM的钙离子（Ca2+）浓度，并在癫痫大鼠模型中证实Ca2+浓度变化与癫痫样LFP事件的同步性，为神经疾病诊断提供了新型多模态监测工具。

　　

大脑作为人体最复杂的器官，其功能实现依赖于电信号与化学信号的精密协作。然而，现有神经监测技术难以同步捕捉多维度神经活动信息：传统金属电极易在磁共振（MRI）扫描中产生伪影，有机晶体管在生理环境中稳定性不足，而被动电极难以抵抗传输过程中的噪声干扰。这些技术瓶颈严重制约了对阿尔茨海默病、癫痫等神经疾病机制的深入研究。

针对这一挑战，浙江大学脑机智能全国重点实验室夏捷、张路喜等研究人员在《Nature Communications》发表最新研究成果，成功研制出具有单片集成碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）阵列的植入式神经探针（MICA-NP）。该探针突破性地实现了在7.0 T高场强MRI环境下同步记录电生理信号和化学信号，为神经科学研究提供了强大的多模态监测平台。

关键技术方法包括：采用晶圆级微加工工艺批量制备探针，通过溶液法沉积碳纳米管形成导电通道，利用离子选择性膜（ISM）修饰CNTFET实现Ca²⁺特异性检测，结合定制电流-电压转换电路实现信号提取，并在Sprague-Dawley大鼠模型中进行长达12周的植入实验验证性能。所有动物实验均经浙江大学动物伦理委员会批准（ZJU202300130），使用杭州启甄实验动物技术有限公司提供的SD大鼠。

探针设计与性能表征

研究团队设计的MICA-NP在单根探针上集成4个LFP活性电极和4个Ca²⁺传感器，探针尺寸为宽485μm、厚103μm、长4mm。关键创新在于采用CNTFET替代传统电极，将微弱神经电压信号直接转换为抗干扰能力更强的电流信号。

电学测试显示CNTFET跨导（g_m）达0.91×10^-4S，远超传统硅基或有机晶体管。80个器件测试证实其具有良好一致性：阈值电压（V_th）0.35±0.03V，载流子迁移率11.89±1.08 cm²/Vs，开关比6.18±0.58×10⁴。频率响应测试表明器件在0.01 Hz-32 kHz范围内保持平坦响应，满足神经信号记录需求。

离体钙离子检测性能

Ca²⁺传感器采用ETH 5234离子选择性膜修饰的CNTFET，在10^-5-10^-3M浓度范围内响应时间仅1.98±0.32秒，灵敏度达128.78 μA/dec，检测限低至0.47 nM。选择性测试表明其对Na⁺、K⁺和H⁺的选择性分别为11.61%、10.34%和15.13%，具备良好的抗干扰能力。

在体LFP实时记录

将MICA-NP植入大鼠海马CA1区后，记录到信噪比达40.34 dB的LFP信号。癫痫模型实验中成功捕获振幅达1.05 mV的癫痫样尖波，频域分析显示1-4 Hz delta节律振荡增强。长期植入实验表明，探针在12周内仍保持30.34 dB的信噪比，免疫组化分析显示植入区域星形胶质细胞（GFAP）和小胶质细胞（IBA-1）未显著激活，证明其良好生物相容性。

多模态同步监测验证

在7.0 T MRI环境下，研究团队成功实现LFP、Ca²⁺浓度和全脑成像的三模态同步监测。青霉素诱导的癫痫模型中，观察到细胞外Ca²⁺浓度先下降至0.09 mM后回升，与癫痫样电活动呈现同步变化。通过平均伪影减法（AAS）算法有效去除MRI梯度伪影后，发现在Ca²⁺浓度拐点（注射后820秒）出现典型癫痫样波。MRI图像显示探针植入区域伪影极小，热效应测试表明温升<0.15°C，显著优于铂电极。

本研究通过单片集成CNTFET阵列的创新设计，成功解决了传统神经探针在多模态监测、MRI兼容性和长期稳定性方面的技术难题。MICA-NP不仅实现了高时空分辨率的电生理-化学信号同步记录，更在7.0 T高场强MRI下展现出卓越性能，为揭示神经回路功能连接和疾病机制提供了强大工具。该技术采用的晶圆级微加工工艺具备大规模生产潜力，有望推动神经接口技术的临床转化应用。