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微纳电极阵列：重大脑疾病神经信息原位实时检测的变革性技术

一、引言

1.1研究背景与意义

大脑，作为人体最为复杂且关键的器官，主导着人类的思维、情感、行为以及各种生理功能。然而，众多重大脑疾病如阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫等，正严重威胁着人类的健康与生活质量。据世界卫生组织统计，全球约有5000万人患有阿尔茨海默病，且每年新增病例达1000万；帕金森病患者数量也在逐年上升，给患者家庭和社会带来了沉重负担。这些疾病不仅导致患者认知、运动等功能障碍，还极大地降低了其生活自理能力，对患者的身心健康造成了极大的影响。

对于重大脑疾病的研究、诊断与治疗而言，准确获取神经信息至关重要。神经信息能够反映大脑神经元的活动状态、神经递质的释放情况以及神经环路的功能完整性，为揭示大脑疾病的发病机制提供关键线索。通过检测神经信息，能够在疾病早期发现异常，实现疾病的早期诊断，为及时干预和治疗争取宝贵时间。在治疗过程中，神经信息的监测可以评估治疗效果，指导治疗方案的调整，有助于提高治疗的精准性和有效性。

传统的神经信息检测技术，如脑电图（EEG）、磁共振成像（MRI）等，虽然在脑疾病诊断中发挥了重要作用，但它们存在着各自的局限性。EEG检测的空间分辨率较低，难以精确确定神经活动的具体位置；MRI虽然空间分辨率较高，但时间分辨率较差，无法实时捕捉神经活动的快速变化。这些技术的局限性限制了对大脑疾病的深入研究和精准诊断治疗。

微纳电极阵列技术作为一种新兴的神经信息检测技术，具有高时空分辨率、高灵敏度等显著优势，能够弥补传统检测技术的不足，为重大脑疾病的研究、诊断与治疗带来了新的契机。通过将微纳电极阵列植入大脑特定区域，可以实时、精确地记录神经元的电活动和神经递质的动态变化，为深入了解大脑疾病的发病机制提供更丰富、准确的数据支持。在癫痫的研究中，微纳电极阵列能够检测到癫痫发作前神经元的异常放电，有助于提前预警癫痫发作，为患者的治疗和生活提供更好的保障。因此，开展重大脑疾病神经信息微纳电极阵列原位实时检测技术研究，对于推动脑科学领域的发展、提高重大脑疾病的诊疗水平具有重要的理论和实际意义。

1.2国内外研究现状

在国外，微纳电极阵列技术用于重大脑疾病神经信息检测的研究取得了显著进展。美国的一些科研团队利用微纳加工技术制备出高密度的硅基微电极阵列，能够同时记录数百个神经元的活动，在癫痫、帕金森病等疾病的神经机制研究中发挥了重要作用。他们通过对大量神经元活动数据的分析，揭示了癫痫发作时神经元网络的异常同步放电模式，以及帕金森病患者脑内神经递质失衡与神经元活动的关系。此外，欧洲的研究人员研发了基于柔性材料的微纳电极阵列，具有良好的生物相容性和柔韧性，能够更好地贴合脑组织，减少对大脑的损伤。这种柔性微纳电极阵列在慢性神经疾病的长期监测中表现出独特的优势，为疾病的治疗效果评估提供了可靠的数据支持。

国内在该领域的研究也呈现出蓬勃发展的态势。中科院相关研究所的科研人员开发了新型的微纳电极阵列，集成了多种功能，如神经电信号检测、神经递质监测以及光遗传刺激等。他们利用该电极阵列对睡眠障碍相关脑区进行研究，发现了睡眠-觉醒周期中神经电生理和化学递质活动的变化规律，为睡眠障碍的治疗提供了新的靶点和思路。北京大学的研究团队则在微纳电极阵列的制备工艺上取得突破，提高了电极的稳定性和可靠性。他们通过优化电极材料和表面修饰技术，降低了电极与脑组织之间的界面阻抗，提高了神经信号的采集质量，为临床应用奠定了坚实的基础。

1.3研究目标与内容

本研究旨在突破微纳电极阵列技术的关键难题，实现对重大脑疾病神经信息的原位实时检测。具体研究内容包括：首先，开展微纳电极阵列的设计与制备研究，综合考虑电极的材料、结构和尺寸等因素，优化设计方案，采用先进的微纳加工工艺，制备出具有高时空分辨率、高灵敏度和良好生物相容性的微纳电极阵列；其次，进行神经信息检测方法的研究，探索有效的神经电信号和神经递质检测技术，结合信号处理与分析算法，实现对神经信息的精准提取和解读；最后，将微纳电极阵列应用于重大脑疾病动物模型的神经信息检测，验证技术的可行性和有效性，为临床应用提供实验依据。

1.4研究方法与技术路线

本研究将采用文献研究法，全面梳理国内外相关研究成果，了解微纳电极阵列技术的发展现状和趋势，为研究提供理论基础。在实验研究方面，利用微纳加工实验室的设备和条件，开展微纳电极阵列的制备实验，通过多次实验优化制备工艺，提高电极性能。采用动物实验方法，将制备好的微纳电极阵列植入重大脑疾病动物模型的大脑中，进行神经信息检测实验，收集实验数据。运用数据分析方法，对实验数据进行处理和分析，验证研究假设。

技术路线上，首先进行理论研究，确定微纳电极阵列的设计参数和检测方法；然后开展实验研究，制备微纳电