空腔微电极阵列用于神经元电记录

《Advanced Electronic Materials》：Cavity Microelectrode Arrays for Electrical Recordings From Neurons

　　

微电极阵列（MEAs）是以单细胞分辨率高度并行研究心肌细胞和神经元网络电生理活动的工具。然而，与作为电生理学金标准的膜片钳技术所提供的胞内测量相比，此类测量获得的信号质量通常受限。因此，目前正在研究不同方法来改善胞外测量装置中的信号及信噪比（SNR）。一种方法依赖于空腔微电极阵列（C-MEAs）的制造，其中在电极上方形成液体填充的纳米级高度（~100 nm）空腔。C-MEAs通过有效增加电极-电解质界面从而降低阻抗且不损失横向分辨率，来改善小电极系统的信噪比。在本研究中，研究人员通过使用人胚肾（HEK）细胞模型展示了空腔电极系统的几何形状如何影响密封特性。研究人员进一步展示了来自原代神经元细胞的动作电位胞外记录，并阐明了电极几何形状在信号幅度和信噪比方面的影响。

**论文解读：空腔微电极阵列用于神经元电记录**

**研究背景与问题**
神经科学和心脏病学中，理解细胞网络的功能关系及其与生理和病理的联系至关重要。传统的微电极阵列（MEA）是一种高度并行、非侵入性、长期、无标记的胞外电生理记录方法，但其信号质量通常低于金标准的膜片钳技术，尤其难以记录亚阈值活动和获得高信噪比（SNR）。为提高胞外测量的信号质量，研究人员正在探索多种方法，包括优化细胞-芯片耦合、降低噪声和增强空间分辨率。其中，利用二维/三维微纳结构（如碳纳米管、金蘑菇结构、纳米柱等）改善电极-细胞界面的密封性，但多数方法在长期稳定性和易于制造方面存在不足。空腔微电极阵列（C-MEA）是在平面电极上方构建一个液体填充的纳米级高度空腔，通过增加有效电极面积来降低阻抗而不损失横向分辨率，从而有望提高SNR。此前研究已将C-MEA用于心肌细胞记录，但尚未系统优化其对于神经元的最佳几何参数。

**研究内容与结论**
本研究系统优化了C-MEAs用于神经元培养的记录性能。研究人员制造了孔径（aperture diameter）从3到24 μm不等的C-MEA芯片，首先利用人胚肾（HEK）细胞模型研究电极几何形状对细胞-芯片耦合特性的影响，通过同时进行膜片钳（胞内刺激）和C-MEA（胞外响应记录）实验，量化密封电阻（R_seal）。随后，将原代大鼠皮层神经元（来自Wistar E18大鼠胚胎）培养在C-MEA芯片上，记录自发性动作电位，分析不同孔径对信号形状、信号幅度和SNR的影响。结果表明，孔径为8 μm的C-MEA在密封电阻和最大信号幅度方面均表现最佳，SNR超过50，适用于从大鼠皮层神经元进行高质量胞外记录。该研究为优化MEA设计以提高电生理记录质量提供了实用指导。论文发表在《Advanced Electronic Materials》。

**关键技术方法**
研究采用标准光刻、金属沉积（金或铂）和牺牲层（铬）蚀刻工艺，在4英寸硅晶圆（表面1 μm二氧化硅）上制造64电极（8×8阵列）的C-MEA芯片，孔径由钝化层（聚酰亚胺）定义。通过电化学阻抗谱（频率1 Hz-100 kHz）表征电气特性。为评估细胞-芯片耦合，研究人员对HEK293细胞（表达电压门控hEAG K⁺通道）进行全细胞膜片钳记录，同时记录C-MEA的胞外响应，利用点接触模型计算密封电阻（R_seal）。原代神经元细胞来自Wistar E18大鼠胚胎皮层，培养13-16天后进行胞外记录。信号采集使用自研64通道放大系统（BioMAS），采样率20 kHz，数据分析在Matlab中完成。

**研究结果**
**1. C-MEA的制造与表征**
- 通过光学显微镜证实了蚀刻后形成的空腔区域，反射光增强。
- 阻抗频谱显示对数幅度随频率增加而下降，呈现电容行为；1 kHz阻抗值随孔径增大而减小（3 μm: 1034 kΩ，24 μm: 504 kΩ），热噪声范围2.5-3.3 μV，显著优于同等孔径的平面金电极（阻抗高一个数量级）。

**2. HEK293细胞与C-MEA的耦合**
- 利用同时膜片钳和C-MEA记录，通过电压钳脉冲响应时间常数τ推算出密封电阻R_seal（假设细胞形状为扁长椭球体，贴附比例α=0.35）。
- 孔径3、6、8 μm的电极获得较高R_seal（>50 MΩ），而更大孔径（10、12、24 μm）时R_seal下降至典型MEA水平（13.4-34.7 MΩ），表明更小孔径改善了细胞膜密封。

**3. 神经元在C-MEA上的记录**
**3.1 信号形状**
- 记录到两种典型信号形状：先正后负（可能来自神经突）和先负后正（可能来自胞体），且信号形状不受孔径影响。
- 信号幅度较大时通常伴随负向起始（胞体起源），信号波形表现为胞内动作电位的一阶或二阶导数。
**3.2 信号幅度与信噪比性能**
- 统计多个实验的平均峰值-峰值幅度，发现孔径8-10 μm时获得最大信号幅度；更小（3 μm）或更大（>12 μm）孔径导致幅度下降。
- SNR变化趋势与幅度一致，孔径8 μm时SNR最高（>50），且噪声水平受孔径影响不显著，主要由空腔下蚀刻区域决定。所有测试孔径的SNR均大于50，表明良好的测量灵敏度。

**总结与讨论**
本研究系统评估了C-MEA孔径对神经元胞外记录的影响。实验测定的密封电阻随孔径减小而增加，但趋于平缓（接近“松散封接”模式）。根据点接触模型，假设离子通道均匀分布，通过电极孔径的跨膜电流与孔径面积线性相关，因此小孔径减小了电流面积但增加了密封电阻。综合密封电阻和信号幅度，约8 μm孔径的C-MEA在两者之间达到最佳平衡，因此具有最优性能。

**研究结论**
总之，研究人员用于确定空腔MEA最佳孔径的方法得到了相当一致的结果。约8 μm的电极孔径在密封电阻和神经元胞外动作电位的最大信号幅度方面均获得最佳效果。由此得出结论：孔径约为8 μm的空腔MEA对于来自大鼠皮层神经元的胞外单细胞记录具有最优性能。