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通过侵入性微电极进行的电刺激通常用于治疗各种神经和精神疾病。尽管取得了显著的成功，但由于异物反应导致电极被胶质细胞包裹，因此刺激性能是不可持续的。磁刺激通过消除对金属电极接触的需要从而克服了这些限制。麻省总医院和哈佛医学院Adam Khalifa团队展示了一种新型微制造螺线管电感器（80微米×40微米），其磁芯可以激活神经元组织。该设备的表征和概念验证提出了一种可能性，即足够小以植入大脑的微磁刺激螺线管可能被证明是用于慢性神经接口应用的现有基于电极的刺激设备的有效替代品。

本文亮点

1. 展示了一个全新的带磁芯的微加工螺线管电感器；2. 磁通密度是通过基于金刚石中氮空位的最先进的微型磁力计工具来测量的；3. 磁探针在急性切片中使用钙成像进行验证。

研究背景

几十年来，可植入电极来刺激可兴奋组织已经成为了治疗人类疾病的可行的治疗手段。例如，深部脑刺激(DBS)在治疗如帕金森综合征的运动障碍有成功的疗效。此外，目前正在临床试验的有用以检查DBS在治疗其他神经和精神疾病的疗效，包括癫痫，情绪障碍和强迫症。尽管在直接电刺激上取得了很多成功，但长期植入的电极会随着时间的推移而性能减弱。治疗效果可以通过组织的严重和免疫反应来改变，从而相应刺激电流的直接接触，因为刺激电极周围的胶质疤痕最终会增加刺激阈值。 增加刺激的强度来规避这个问题会导致电极-组织交界处发生更大的氧化还原反应，从而导致电极和周围组织的损伤。

可植入微磁刺激(µMS)最近被推荐成为脑部刺激的一种新的形式。最近的一些成果表明，亚毫米和毫米级的线圈可以将施加的电流转化成为磁通量，从而产生足够强的电厂梯度以移动离子并且推动他们诱导（或抑制）神经元反应。与电极不同，µMS所使用的导电材料不会与神经组织直接接触。此外，与经颅磁刺激（TMS）不同，µMS使用小型的可植入线圈，因此可以实现更高的空间和时间分辨率。因此，诸如微磁线圈之类的非接触神经刺激工具可能会改善神经接口设备的长期功能。2012年，Bonmassar等人表明市售的电感器（直径500微米，长1毫米）可以激活神经元组织。不久之后，开发了多种类型的微型电感器和线圈，其中一些被用于侵入性使用从而提高空间分辨率。这项研究的首要目标是依靠微加工技术来制造高效的µMS 探针，这些探针可以克服传统以电极为基础的刺激装置的一些局限性。 在这里，作者展示了一种新型微制造螺线管电感器（80微米×40微米），其磁芯可以激活神经元组织。该设备的表征和概念验证提出了一种可能性，即足够小以植入大脑的微磁刺激螺线管可能被证明是用于慢性神经接口应用的现有基于电极的刺激设备的有效替代品。

图文导读

带磁芯微螺线管的制作工艺流程

图1：带磁芯微螺线管的制作工艺流程。（a）种子层被沉积和图案化。（b）通过电镀将Cu沉积在SiO2上。（c）PI沉积并固化。（d）FeGaB/Al2O3/FeGaB被沉积并且通过剥离呈现图案。（e）PI再次被沉积并固化。（f）Cr被沉积从而对PI层进行图案化，过程中使用ICP对其进行蚀刻.(g)通过电镀再次沉积Cu。（h）使用DRIE蚀刻技术蚀刻Si和SiO2。（i）翻转探针并使Si变薄。整个探针被聚对二甲苯C所包裹。

在这项研究中，作者展示了带磁芯的微制造螺线管电感器，与空芯微线圈相比，可以显著放大产生的磁通量。尽管展示的探针比过去成果中提出的探针更加难以加工，但是它们可以产生更大的磁通密度并且允许以下几点：1）进一步减小µMS探针的尺寸，这将提高空间分辨率，2）减少输送到探针的电流量，从而减少电感器产生的热量，或者3）激活探针周围的更大量的神经元。在本文中，作者首先简短地讨论了设计微磁刺激线圈时应该考虑的重要参数。

图2：微螺线管和大螺线管的3D绘图。（a）微型电磁阀及其尺寸。（b）尖端有四个微螺线管的硅探针被聚对二甲苯C包裹。（c）大螺线管探针及其尺寸（未显示丙烯酸图层）。

图3：设计的带有磁芯的微型螺线管的有限元模型模拟显示了它的电场梯度分布以及它与其他类型的线圈/螺线管的比较。（a）Z=10微米的平面上微螺线管的磁通密度分布。（b）Z=10微米的平面上微螺线管的电场梯度（dEx/dx）分布。（c）不同类型电感器在Z=2微米的平面上沿x轴的电场梯度。（d）不同类型电感器沿z轴的电场梯度。

然后，作者描述了构建具有磁芯（~80×40 µm2)的微螺线管电感器的步骤，并且讨论了和空芯微线圈相比的优势。作者创建了一个计算有限元方法（FEM）模型，使作者能够研究由µMS产生的磁场/电场。然后，作者使用基于金刚石中氮空位（NV）中心的最先进的微型磁力计工具测量了磁通密度。

图4：用于µMS的探针制造。（a）安装在PCB板上的硅探针。（b）离体脑切片实验中使用的探针的光学显微镜图像。还显示了尖端的特写视图（光学和SEM），以更好地可视化螺线管。（c）在磁通量测量过程中使用的加工的探针的光学显微镜图像。（d）在离体脑切片实验中使用的大螺线管探针的图片以及大螺线管的特写试图。实验中使用的微螺线管用黑色圈出。

为了探索这种小螺线管是否确实可以引起神经活动，作者进行了离体钙荧光成像（GCaMP6s）实验。简而言之，作者第一次描述了这些探针的微加工方法、它们的磁通量测量以及它们在脑切片中的概念验证，但这项研究的重点是针对神经刺激优化的新型超小型螺线管的微加工和表征。

图5：从（左）测量结果和（右）有限元模型模拟获得的微螺线管磁通密度分布，在螺线管和金刚石传感器之间的3个不同距离（40、60和140微米）。