تکنولوژی آرایه‌های چندالکترودی جهت ثبت‌های غیرتهاجمی سیگنال‌های عصبی: یک مقاله مروری

ثبت فعالیت‌های الکتروفیزیولوژیکی نورون‌های مغزی در نیم قرن اخیر به‌عنوان یکی از ابزارهای کارآمد توسعه علوم اعصاب مطرح بوده است. از جمله تکنیک‌هایی که برای ثبت فعالیت سلول‌های عصبی به‌کار می‌رود، استفاده از آرایه‌های چند الکترودی است. آرایه‌های چند الکترودی یک پلت فرم بالقوه برای مطالعه الکتروفیزیولوژی سلولی است و برای ثبت عملکرد در بلندمدت و غیرتهاجمی بودن مشهور هستند. این آرایه‌ها شامل آرایه‌ای از الکترودها با ابعاد میکرومتری و نانومتری هستند و برای تحریک و ثبت پتانسیل عمل سلولی طراحی شده‌اند که به کمک فناوری‌های ریزماشین‌کاری ساخته می‌شوند. فلزاتی مانند طلا و پلاتین به‌دلیل هدایت الکتریکی زیاد و زیست‌سازگاری برای ساخت آرایه‌های چند الکترودی استفاده می‌شوند. با وجود رشد سریع، آرایه‌های چند الکترودی کنونی برای کاربردهای عصبی، هنوز با محدودیت‌هایی مانند نسبت سیگنال به نویز پایین و قدرت تفکیک فضایی کم روبرو هستند. برای دستیابی به‌وضوح مکانی بهتر و سطح نویز کمتر و در نتیجه سیگنال دقیق‌تر، نیاز به توسعه آرایه‌هایی با اندازه کوچکتر و امپدانس کمتر وجود دارد. در این میان، نانوساختارهای گوناگون مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و نانوذرات طلا با توجه به خواص جالب توجهی که دارند، تبدیل به کاندیدهای جذابی برای این کاربرد شده‌اند. در این مقاله، تکنولوژی آرایه‌های چند الکترودی، نحوه عملکرد و قسمت‌های مختلف آن معرفی شده و در نهایت چالش‌ها و پیشرفت‌های پیش‌‌ روی این حوزه مورد بررسی قرار گرفته‌اند. فناوری آرایه‌های چند الکترودی برای تحقیقات علوم اعصاب، تجزیه و تحلیل شبکه‌های عصبی، مطالعه اثرات دارو و مطالعات پروتزهای عصبی استفاده می‌شود.

Multi-electrode arrays technology for the non-invasive recording of neural signals: a review article

The recording of electrophysiological activities of brain neurons in the last halfcentury has been considered as one of the effective tools for the development of neuroscience. One of the techniques for recording the activity of nerve cells is the multielectrode arrays (MEAs). Microelectrode arrays (MEAs) are usually employed to record electrical signals from electrogenic cells like neurons or cardiomyocytes. MEAs consist of an array of planar or threedimensional electrodes that act as electrical interfaces and record cellular signals or stimulate cells. These platforms can be used in different applications including neuroscience studies, prostheses and rehabilitation, deep brain stimulation (DBS), cardiac pacemakers, retinal and cochlear implants, or for braincomputer interfaces (BCI) in general. Multielectrode arrays are known as longterm recording and noninvasive devices. The MEA structure includes arrays of electrodes with micrometer and nanometer dimensions which are designed to stimulate and record the electrical activity of cells, and are fabricated using micromachining technologies. MEAs should be biocompatible to serve as a substrate for cell growth. On the other hand, they must have low impedance to be able to provide a high signaltonoise ratio, and small size to offer a suitable spatial resolution for recording. MEAs are usually fabricated on glass substrates patterned with highconductivity metals such as gold, iridium or platinum, which are insulated with a biocompatible layer. Despite fast progress, current multielectrode arrays for neural applications still face limitations such as low signaltonoise ratio and spatial resolution. To achieve better spatial resolution and lower noise levels and therefore more accurate signal, it is necessary to develop arrays with smaller sizes and lower impedance. Meanwhile, many nanostructures such as graphene, carbon nanotubes, gold nanoparticles, and also conductive polymers have become attractive candidates for this application due to their interesting properties. In this paper, the technology of multielectrode arrays, how it works and its various parts are introduced, and finally, the challenges and developments in this field are investigated. Multielectrode array technology is used for neuroscience research, neural network analysis, drug effects screening, and neural prosthesis studies.