隧道磁阻微型电极实现体内脑信号高精度记录

脑信号的高效检测与解析是推进脑机接口（BCI）技术发展的核心环节。局部场电位（LFP）信号反映了神经元群体的同步活动，对于理解大脑协调功能至关重要。近期，一项发表于《微系统与纳米工程》的研究展示了一种基于隧道磁阻（TMR）技术的微型神经磁电极，专为体内LFP磁场记录而优化。该设备在保持低检测限的同时，实现了高磁阻比和低场灵敏度，为神经接口技术提供了极具潜力的新工具。

突破传统电极局限，TMR磁电极异军突起

随着科技不断进步，BCI技术在娱乐、虚拟现实、疾病诊断及医疗康复等领域展现出广阔前景。人类大脑包含约860亿个神经元，通过数万亿突触连接形成复杂的神经网络。神经活动产生的信号涵盖微观个体神经元、介观局部场电位以及宏观大规模同步电活动等多个尺度。其中，LFP主要反映植入位点附近突触活动的同步性，已成为检测神经系统疾病病理变化的重要手段。

目前，LFP记录技术高度依赖微电极，如“犹他电极阵列”和“密歇根探针”。然而，这些微电极存在显著局限：首先，电信号受组织电导率变异性的影响极大；其次，测量电位始终相对于参考电极，其位置和类型会显著干扰信号质量。相比之下，神经元活动不仅产生电流，还伴随磁场。由于生物组织的磁导率一致，磁信号在传播过程中不易失真，且具有非接触、无参考配置及矢量检测等优势。

尽管超导量子干涉仪（SQUID）、原子磁力计和氮空位金刚石传感器等常用磁传感器面临体积庞大、结构复杂等挑战，但基于自旋电子学的TMR传感器凭借高灵敏度、紧凑尺寸和低功耗，成为体内磁场记录的有力竞争者。本研究设计的微型TMR神经磁电极，旨在解决现有技术的痛点，实现高精度、低侵入性的神经信号采集。

优化噪声抑制机制，实现超高灵敏度检测

研究团队设计并制造了一种椭圆结结构（长宽比3:1，短轴15微米）的TMR磁电极，由12个磁性隧道结（MTJ）串联并联组成。这种结构在保持高灵敏度的同时，有效降低了磁滞效应。探针长度设计为5毫米，宽度300微米，角度80度，以适配大鼠海马体植入需求并Zui小化组织损伤。

性能表征显示，该磁电极的磁阻比高达145%，低场灵敏度为16.59%/mT。在噪声性能方面，其在1 Hz处的检测限低至4.8 nT/√Hz，在1 kHz处为140 pT/√Hz，显著优于现有植入式磁电极。噪声分析揭示，降低偏置电流并施加高频交流激励可显著抑制低频1/f噪声。实验表明，随着偏置电流增加，器件噪声随之上升；而采用高频交流驱动时，磁畴的高频振荡改变了动态响应，从而有效压制了低频噪声，提升了传感器分辨率。

体内体外双重验证，确立高保真记录能力

为验证磁电极与LFP的关联，研究团队首先进行了体外模拟实验。利用30微米直径铜线模拟神经元电流源，结合数字神经信号模拟器（DNSS），通过经验模态分解（EMD）重建磁场信号。结果显示，重建信号与标准LFP信号高度一致，证实了检测系统的可行性。

随后，研究团队将磁电极与微电极同时植入麻醉大鼠的海马体区域，严格控制两者记录位点间距在100微米以内，以确保采样自同一神经元群体。对比分析显示，磁场信号与电信号的归一化功率谱密度（PSD）在不同频率下具有相似的相对强度，特别是在峰值频率处。皮尔逊相关系数（PCC）计算表明，磁信号与LFP信号的相关系数均值高达0.857 ± 0.031（p < 0.01），而噪声对照组的相关系数仅为0.483 ± 0.053。配对t检验进一步证实，这种高相关性并非由背景噪声引起。

在特定生理频段中，磁信号与LFP在Delta（1-4 Hz）、Theta（4-8 Hz）和Beta（13-30 Hz）频段表现出极高的光谱相关性，其中Theta频段的关联尤为显著，这与海马体LFP活动的主导成分相符。这表明TMR磁电极能够精准捕捉控制海马体群体活动的主要低频神经动态。

模拟生理环境测试，展现卓越生物稳定性

为确保设备的长期可靠性，研究团队在37°C恒温条件下，将磁电极浸入人工脑脊液（aCSF）中进行体外耐久性测试。结果显示，在7天的浸泡过程中，器件表现出 exceptional 稳定性，TMR比率的变化幅度小于0.4%，信号漂移可忽略不计。这一结果证明了该磁电极在充满高湿度和高离子浓度的颅内环境中，能够有效抵抗电解液渗透和传感器腐蚀，具备应用于慢性神经记录的巨大潜力。

这项研究不仅验证了微型TMR磁电极在体内LFP磁场记录中的高保真度和可靠性，也为实时BCI和神经病理学研究提供了强有力的技术支撑。随着全球脑科学研究的深入，高精度、微创化的神经接口器件需求日益增长。对于中国企业在脑机接口领域的布局而言，这一进展提示我们应重点关注新型敏感材料（如自旋电子学器件）在生物医学传感中的应用潜力，加强跨学科合作，推动从基础材料创新到临床转化应用的完整产业链构建，以在全球神经科技竞争中占据有利地位。