微丝电极阵列制备及其输入输出特性研究

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脑.机界面(Brain-Machine Interfaces,BMIs)研究的目标是能够治疗神经系统疾病的患者,使他们受损的运动和感知功能得以恢复。而微电极是脑.机界面的核心部分,是连接神经系统和外围设备的通道和桥梁,因此,由多个微电极组成的微电极阵列的研究与开发在神经信号检测与施加刺激信号方面具有重要意义。目前,一些比较成熟的用于记录的微电极阵列制备工艺都比较复杂,制备周期长,而且成本较高,很大程度上限制了神经电信号的研究工作,因此,需要开发一种制备简易的微电极阵列。针对微电极阵列在进行瞬变神经信号采集时存在信号幅值衰减、相位偏移、噪声和漂移等许多影响因素,本论文设计并制备了一种性能优良、成本低廉地微电极阵列,对该电极阵列的性能进行了测试评价;并从传感器应用的角度,研究了制备电极的输入与输出特性。主要工作如下:(1)系统地介绍了世界上典型的微电极阵列,并对它们的特点进行了比较。在此基础上,讨论了目前记录微电极阵列所面临的问题、挑战以及研究方向。(2)对神经元电信号的发放机制以及胞外记录的机理进行了系统地分析,讨论了影响神经元信号记录的各个因素,基于此,提出微丝电极阵列的设计和制备方案。(3)对制备完成的电极阵列,从机械性能、电化学性能以及在慢性实验中的记录性能进行了测试评价;并对微电极尖端进行了镀膜,对其进行性能改进测试。(4)从传感器应用的角度出发,对用于神经记录的自制镍铬合金微丝电极阵列输入输出特性进行体外研究。根据胞外神经记录机理对决定微丝电极输入量和输出量的各个因素进行分析,构建了包含生物电位、热噪声、半电池电位和前端放大器等组分的微丝电极等效记录电路;基于等效电路,结合测量的电极电化学阻抗谱从交流特性、噪声特性和直流基线漂移三个方面对镍铬合金微丝电极的输入输出特性进行研究。结果表明:按照本文提出的方法制备的微丝电极阵列具有良好的性能和输入输出特性,能够应用于脑皮层神经电信号记录。
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