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本文综述了用于灵长类动物深部脑电生理和电化学检测的电极阵列装置。介绍了神经记录和刺激技术的研究进展，探讨其在神经科学研究和临床疾病治疗中的价值。未来电极在灵活性、高分辨率等方面有很大发展空间。
引言
大脑是极其复杂神秘的生物信息系统。检测神经元放电和评估神经递质释放对理解神经机制意义重大。灵长类动物中枢神经系统更发达、智力更高，检测其深部脑活动有助于研究复杂认知功能、诊断和治疗脑部疾病以及实现脑机交互（BCI）。
不过，灵长类动物大脑体积大、结构复杂，相关实验需严格伦理审查，其深部脑检测和刺激技术发展不如啮齿动物成熟。传统成像方法空间分辨率有限，现有神经电极装置也存在不足，所以开发新型电极阵列装置很有必要。
随着技术进步，在灵长类动物深部脑单神经元放电及神经递质检测方面取得了突破，相关技术包括基于 MEMS 技术的微电极装置、光遗传学等。设计和制备电极时要综合考虑诸多因素，目前的电极装置性能和可靠性较高，能在长期实验中稳定记录神经信号。
深部脑电极阵列装置的发展历史
1908 年，Horsley 和 Clarke 开发了脑立体定向装置，1918 年 Aubrey Mussen 设计了首个人脑立体定向装置。1947 年，Hayne 等人首次使用该装置研究癫痫患者的皮质下神经生理活动。后来，Miocinovic 等人开发的软件可对非人灵长类动物（NHPs）深部脑相关数据进行三维可视化。
过去几十年，深部脑神经元检测和刺激多基于单位点微丝电极。之后，MEMS 技术推动了多通道微电极阵列（MEA）发展，如密歇根探针。但刚性 MEA 存在问题，于是基于柔性基板的 MEA 应运而生。目前，临床使用的深部脑电极需严格评估，仅有少数类型获批用于患者深部脑植入。
灵长类动物神经信息检测电极的类型
金属微电极
单位点金属丝电极用于记录神经元动作电位或局部场电位（LFP），也可用于电刺激。常用材料有钨、铂等，绝缘材料有聚四氟乙烯（Teflon）、聚酰亚胺（PI）等。单位点钨丝电极在帕金森病手术中用于功能定位，但无法实现多通道神经信息检测。
由 2 根或 4 根金属丝组成的电极，如立体电极和四电极，可分离单个神经元信号。改进后的扭线四电极（TWTs）能记录神经元群信号并进行峰分类。管型四电极由 4 根超薄镍铬丝缠绕而成，信号质量好，对大脑损伤小。
多位点金属丝电极应用广泛，如 Thomas 系列电极，不断改进增加了电极位点，提高了功能。商业多位点金属电极可用于研究空间认知等，但长期植入存在电极降解、组织包封和信号不稳定等问题。
将多根金属丝组装成阵列，可在更大面积记录神经信号。但该电极长度有限，应用范围局限于皮层。金属微丝束电极长度更长，可检测更深部脑区，但柔韧性低，需刚性导管引入，可能造成较大损伤。
硅基微电极
通过微纳加工技术在硅片上制造，可精确控制形状和尺寸，集成多个检测通道。犹他阵列（Utah array）在 NHPs 和人类皮层研究中很重要，可用于临床 BCI 研究等，但检测深度有限。
密歇根电极阵列（Michigan electrode array）的硅探针更薄，有多个电极位点，适合在更深脑区记录，但易碎，在 NHPs 深部脑应用较少。其变体如 Vector Array 和 Matrix Array 3D recording electrode 提高了检测能力。
还有其他硅基微电极，如经 MEMS 等工艺制造的可记录癫痫发作、检测神经递质的电极，以及基于 CMOS 工艺制造的高密度 Neuropixels 电极。但这些电极在植入深度、识别神经回路等方面存在局限。
柔性多通道电极
为减少刚性电极与大脑相对运动引发的免疫反应，设计柔性电极很重要。常用柔性材料有聚对二甲苯 - C（parylene-C）和 PI 等。但柔性电极柔软，插入脑组织困难，需开发多种插入方法。
如 MERF 电极、基于 PI 微丝的 16 通道电极等，在不同方面有应用，但也存在植入深度不足、适用范围有限等问题。一些商业柔性电极，如 MicroFlex array 和 Neuralink 柔性植入电极阵列，在应用中也面临插入创伤等挑战。
与临床重大脑部疾病相关的深部脑电极
在临床中，除犹他电极外，深部脑刺激（DBS）电极和立体脑电图（SEEG）电极也有应用。DBS 电极用于治疗帕金森病等，但长期效果需进一步研究，且无法检测单细胞水平神经信息。
SEEG 电极用于检测癫痫等疾病的电生理活动和定位病灶，一些新型 SEEG 电极在记录和刺激方面有创新。还有一些新型概念电极，如 AlphaProbe 和基于 PI 层三明治的 SEEG 神经探针，具有潜在应用价值。
神经递质化学检测电极
传统微透析方法检测神经递质时空分辨率低，神经递质电化学检测电极应运而生。该电极能在毫秒时间尺度和微米空间尺度检测神经递质快速变化，基于电化学方法，通过特定生物分子与目标神经递质反应产生信号。
碳纤维电极尺寸小、免疫反应可忽略，可检测多巴胺释放。表面涂层可改善其刺激性能，但涂层存在降解问题。碳纳米管（CNT）基纤维和石墨烯基纤维也用于神经记录和刺激。目前，将单根碳基微纤维电极组装成高密度 MEA 的技术在发展中。
陶瓷基电极以氧化铝等为基板材料，修饰酶后可检测大脑中的谷氨酸等。与传统金属电极相比，具有更好的耐腐蚀性、化学稳定性和生物相容性。
硅基等其他电极通过在表面引入特定酶或受体，也可用于神经递质检测。
应用
金属微电极、硅基微电极、柔性多通道电极和与临床重大脑部疾病相关的深部脑电极多用于脑电生理检测，神经递质化学检测电极用于神经化学研究。电极阵列装置广泛应用于神经科学和 BCI 研究等领域。
脑植入电极材料需具备良好生物相容性。刚性电极易植入，但会引发炎症反应；柔性电极可减少应力，但操作复杂。电极植入后可能导致大脑损伤，检测相关病理标记有助于优化电极材料和植入策略。
通过记录神经元放电活动，可揭示神经回路功能和调节机制，研究脑区功能、神经网络活动和认知过程。深部脑电极还用于空间认知、视觉研究，以及探究神经元间突触连接和可塑性变化。
检测深部脑神经信息对临床应用意义重大。深部脑电极阵列在研究 DBS 治疗帕金森病、癫痫等神经系统疾病中至关重要。BCI 技术可通过解码神经信号控制外部设备，深部脑电极阵列在其中有广阔应用前景。聚焦超声（FUS）与电极技术的结合也在探索中。临床使用侵入性 MEA 时，电极的安全性、可靠性和临床疗效很关键。
总结与展望
过去 20 年，深部脑神经信息检测和刺激技术取得显著进展，深部脑电极阵列装置在神经科学研究和临床应用中崭露头角。
在电极性能方面，电极位点表面修饰技术是提升性能的关键，结合多种技术增加电极通道数可提高空间分辨率，但生物相容性材料和高精度制造工艺发展仍面临挑战。
在电极功能方面，随着 MEMS 技术发展，深部脑电极可实现电生理和电化学双模信号检测，有助于推动脑科学研究和神经系统疾病治疗发展。
在电极应用方面，深部脑电极阵列装置在治疗帕金森病和癫痫等疾病中已广泛应用，但在治疗睡眠障碍和空间导航认知研究等方面的潜力尚未充分挖掘，临床电极和灵长类动物深部脑电极的应用有待进一步拓展。
未来，随着技术进步，应用于灵长类动物的深部脑电极阵列装置将更好地满足科研和医疗需求，有望开发出更多创新的电极阵列装置和分析方法，推动深部脑神经信息研究取得更大突破。
