微電極作為外部電子設備與內部神經核團之間的接口，在動物機器人、深度腦刺激、神經假體等方面都起著重要的作用。針對現有微電極制作裝置價格高昂且制作工藝復雜等問題，本文提出了一種基于開源電子原型平臺（Arduino）和三維打印技術的雙絞微電極制作裝置，并驗證了其電極制作性能及神經刺激性能。實驗結果表明，在微電極制作過程中，電極絲的正向絞合圈數一般應設置為其長度的 1.8 倍左右較適宜，逆向絞合圈數與長度無關，一般為 5 左右。與同類產品相比，本文所提裝置不僅價格低廉、制作簡單并具有較好的擴展性，對于微電極制作的個性化、普及化以及降低實驗成本都有著積極的促進意義。
引用本文： 劉新玉, 王東云, 趙恩輝, 馬梅方, 師麗. 雙絞微電極制作裝置設計與驗證. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(2): 317-323. doi: 10.7507/1001-5515.201908058 復制
引言
對大腦特定核團神經電刺激以誘發動物特定運動行為已成為控制科學、神經科學、醫學等前沿交叉學科的研究熱點，目前已廣泛應用于視覺[1-2]、運動功能的恢復[3]，以及對帕金森病、阿爾茨海默癥、癲癇等疾病的治療[4-6]。作為大腦特定核團神經電刺激的必備元器件之一，微電極是連接大腦內部神經核團與外界電子設備的接口，起著利用電信號激勵或抑制神經活動以實現功能性電刺激的重要作用[7]。簡易廉價微電極制作裝置的研制對于滿足微電極植入的個性化需求以及降低實驗成本都有著積極意義。
在形形色色的神經刺激微電極中，雙絞微電極由于制作簡單且易于植入，在大腦特定核團神經電刺激調控中得到了廣泛應用[8-9]。但是，目前雙絞微電極的制作主要依賴于商業產品，如微電極制作裝置 tetrode spinner（2.0，Neuralynx Inc.，美國），其價格昂貴且對操作人員要求較高。2009 年，Nguyen 等[10]基于開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利）設計開發了一款簡易的微電極制作裝置（tetrode master），極大地降低了其制作成本。2020 年，Newman 等[11]在已有裝置 tetrode machine（SpikeGadgets LLC，美國）基礎上設計了一款新的制作裝置（twister 3），提高了其制作速度。但是無論是 tetrode master[10]還是 twister 3[11]，其制作成本依然比較高昂，而且部分元器件國內也不易購買。
針對此問題，本文受 tetrode master[10]電極制作裝置的啟發，利用開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利）和三維（three-dimensional，3D）打印技術設計并制作了一款簡易的雙絞微電極制作裝置，并提供了該裝置包含的核心元器件型號及數量。此外，還分析了利用該裝置制作雙絞微電極過程中電極絲長度和絞合圈數之間的對應關系，并利用鴿子機器人從側面進一步驗證了電極的刺激效果。與同類產品相比，本文提供的雙絞微電極制作裝置價格更加低廉，而且都可以通過主流購物網站獲得，制作簡單。
1 裝置的整體設計與制作
雙絞微電極由工作電極和反電極組成，在微電極的制作過程中，首先需要將工作電極絲和反電極絲進行絞合（即纏繞），然后利用熱風槍將電極絲絕緣層表面進行加熱熔化，以使兩根電極絲能夠互相粘接、固定在一起[12]。基于這一過程，雙絞微電極制作裝置主要由機械和電子兩部分組成，機械部分的作用主要是用于電極絲的固定和支撐，而電子部分主要是用于電極絲的絞合，互相配合完成雙絞微電極的制作。
1.1 機械部分組成
雙絞微電極制作裝置的機械部分主要包含了絞合裝置和支撐桿兩部分，整體如圖 1 所示。其中支撐桿由兩個相互垂直的支撐桿和底板組成，用于電極絲的固定。在水平支撐桿的端部有兩個開槽，用于絞合過程中防止電極絲的移動，如圖 1 右側局部圖所示。絞合裝置處于支撐桿和控制器之間，用于電極絲旋轉過程中保持電極絲的垂直拉伸狀態，主要由線夾、夾持桿和導引柱三部分組成，圖 1 給出了其結構示意圖和實物圖，其中導引柱采用上窄下寬的機械結構，在絞合中對夾持桿起到固定作用，這兩部分都是由 3D 打印技術制作完成。
圖1
裝置的機械部分組成
Figure1.
Mechanical component of the instrument
1.2 電子部分組成
雙絞微電極制作裝置的電子部分主要是指用于電極絲絞合的控制器，元器件分布和內部電路原理圖如圖 2 所示。本文設計的制作裝置核心元器件都是常用器件，控制器核心元器件包括微控制器開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利）、舵機（MG 996R，輝盛舵機，中國）、電源適配器（9V DC 650 mA）、電位器、光敏電阻、液晶顯示屏（LCD 1602，華田信科，中國）、蜂鳴器等。其中微控制器用于整個電路的邏輯控制和信息傳輸，舵機用于驅動絞合裝置進行旋轉，包括瞬時針絞合和逆時針絞合，電位器用于設置舵機旋轉的圈數，光敏電阻則用于判斷絞合裝置圈數的變化，而且這種改變可以實時顯示在液晶屏上，當絞合裝置的旋轉達到了設定的圈數時會通過蜂鳴器進行提示。
圖2
裝置的電子部分組成
Figure2.
Electronic component of the instrument
2 裝置的使用與雙絞微電極的制作流程
雙絞微電極的制作過程中，從電極絲的截取到電極制作完成大致包含 7 個步驟，其中固定、絞合和熱熔是三個關鍵步驟，制作流程如圖 3 所示。
圖3
雙絞微電極的制作流程
Figure3.
Process of the microelectrode fabrication
具體流程描述如下：
截取：將電極絲按一定長度截斷，電極絲截取的長度與旋轉的圈數具有正相關關系，電極絲越長需要旋轉的圈數越多，一般 25 cm 長度最佳。
固定：將電極絲通過絞合裝置和支撐桿固定在制作裝置上，要保證電極絲在固定后處于垂直拉伸狀態，可以用手指輕輕觸碰電極絲以確定電極絲拉伸度，不宜過緊也不宜太松。
絞合：絞合包含兩個步驟，順時針絞合和逆時針絞合。當電極絲固定完成后，打開控制器開關，控制器按事先設定的圈數進行旋轉。控制器首先按順時針旋轉以使電極絲進行絞合，然后按逆時針旋轉，逆時針旋轉的主要目的是泄力，即將順時針旋轉后過多的力泄掉，以使電極絲絞合后處于平衡狀態。
熱熔：熱熔的目的是將電極絲表面的絕緣層熔化后再黏合在一起，保證電極絲不會分離，并具有一定的硬度，圖 3 中絞合和熱熔步驟上的電極絲截面圖示意了這一變化過程。
卸取：用剪刀從支撐桿處將電極絲剪斷，并松開線夾，將粘接固定后的電極絲從制作裝置上取下。
測試和截斷：測試的目的是為了判斷兩股電極絲是否短路，由于電極絲在熱熔過程中如果操作不當，極易將電極絲表層的絕緣層熔化過多以使其短路。測試時首先將電極絲端部的絕緣層剝離，然后將萬用表置于蜂鳴檔，并將紅黑表筆分別與兩股電極絲端部導線相連，以判斷兩股電極絲之間是否短路。如果兩股電極絲之間是相互絕緣的，則用剪刀根據實際需要將電極絲分別截取成不同的小段，此時即可獲得電極絲成品。
焊接：將電極絲和電極座用電烙鐵進行焊接，以便于電極的植入和刺激信號的輸入。
3 裝置的性能驗證
3.1 電極制作性能測試
在雙絞微電極制作性能測試中，測量了電極絲長度與絞合圈數的對應關系，結果如圖 4 所示。由圖 4 可知，當電極絲處于初始狀態時，由于電極絲的拉力較小，使得夾持桿一般處于底部或接近底部的狀態，隨著兩股電極絲在控制器的旋轉下逐漸絞合，向上的拉力會逐漸增大，而導引柱上窄下寬的機械結構會給夾持桿一個擠壓力，阻止電極絲將夾持桿拉出，使電極絲能一直處于拉伸狀態。
圖4
電極制作性能測試結果
Figure4.
Performance test results of the microelectrode fabrication
為了獲得電極絲長度和絞合圈數之間的對應關系，將夾持桿在初始狀態和拉伸狀態，即電極絲開始絞合和絞合完成時所處的位置進行標記，保證不同長度電極絲在絞合過程中具有相同的初始狀態和拉伸狀態，結果如圖 4 右圖所示，圖中小圖為絞合后不同長度電極絲（左）和典型長度時夾持桿拉伸狀態（右）。由圖 4 可知，電極絲長度與旋轉圈數基本呈線性正相關關系，隨著電極絲長度的增加，旋轉圈數成比例增加。線性擬合結果顯示，旋轉圈數一般應設置為電極絲長度的 1.8 倍左右最適宜。
3.2 電極刺激效果測試
為了測試上述雙絞微電極的使用效果，利用鴿子為模式動物，從側面驗證電極的刺激性能，結果如圖 5 所示。根據文獻結果，將焊接后的雙絞微電極植入鴿子中腦對側的丘間核（intercollicularis，ICo），利用直流電刺激誘導鴿子進行相應的轉向行為[13]。實驗選用 6 只健康成年家鴿，體重 450～550 g，雌雄各半，實驗經過了黃淮學院倫理審查委員會審查。微電極植入前，鴿子進行全身麻醉，固定于腦立體定位儀（ST-5ND-C，成都儀器廠，中國）上。參考腦立體定位圖譜[14]，確定 ICo 區植入位置（A 2.00 mm，M 3.00 mm，D 7.00 mm），去除顱骨和硬腦膜后進行微電極植入。待 5～7 d 鴿子康復后，利用程控刺激器（YC-2，成都儀器廠，中國）進行運動行為誘導。
圖5
電極刺激性能測試結果
Figure5.
Performance test results of the microelectrode stimulation
如圖 5 電刺激原理圖所示，當雙絞微電極植入 ICo 腦區之后，利用刺激器將一定量的電流（微安級）經其中一股電極流入，然后經 ICo 區從另一股電極流出，形成回路，從而激活相應核團神經元，誘導出特定運動行為。通過對雙側 ICo 區進行電流刺激（方波，幅值 100 μA，頻率 80 Hz，占空比 50%）[15]，6 只鴿子都可以誘導出相對應的運動行為，即連續刺激左側 ICo 區可以誘導鴿子進行順時針旋轉，相應地連續刺激右側 ICo 區則會誘導鴿子進行逆時針旋轉，20 次實驗正確率 100%。圖 5 給出了自由運動狀態、刺激誘導順時針旋轉和刺激誘導逆時針旋轉效果。由圖 5 可知，電刺激誘導出被動的鴿子轉向行為與自由運動狀態下主動的轉向行為有明顯區別，這一結果也從側面進一步驗證了雙絞微電極的性能。
3.3 與同類產品性能對比
除了電極制作性能和電極刺激效果兩部分測試外，本文又進一步與現有同類產品對比了其核心部件的性能。如表 1 所示，給出了本文設計的微電極制作裝置的核心元器件及其型號和數量。由表 1 可知，本文設計的制作裝置核心元器件都是常用器件，微控制器使用的是開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利），伺服電機使用的是舵機（MG 996R，輝盛舵機，中國），顯示屏使用的是液晶顯示屏（LCD 1602，華田信科，中國），外殼、支撐桿和絞合裝置用 3D 打印或亞克力板制作，這些器件都十分容易獲得或進行加工，而且價格也十分低廉，總造價不超過 350 元人民幣。
表1
設備的元器件組成
Table1.
Component composition of the instrument
在與國際同類產品性能對比中，本文選用了三款比較典型的微電極制作裝置：tetrode machine（SpikeGadgets LLC，美國）、twister 3[11]、tetrode spinner（2.0，Neuralynx Inc.，美國），分別對比其微控制器、伺服電機、液晶顯示屏、電源適配器、支撐桿、自動熱熔、絞合裝置、絞合方式及總造價等 9 種參數，結果如表 2 所示。
表2
與同類產品核心部件的性能對比
Table2.
Performance comparison of core components with traditional products
由表 2 可知，盡管本文的設計不如 tetrode machine 功能齊全、不如 twister 3 驅動性能出眾、不如 tetrode spinner 2.0 制作精良，但是在總體造價上本文的設計要遠遠低于前三款產品，而且機械化絞合方式更加穩定。
4 討論
用電刺激取代自然激勵，以糾正神經回路錯誤或者調控運動行為為目標的大腦微電流刺激是神經調控研究的有效手段。作為連接特定神經核團和刺激器之間的接口，雙絞微電極在其中起到了重要作用。針對神經電刺激的雙絞微電極，通過借鑒 tetrode master[10]電極制作裝置的思路，利用開源電子原型平臺 Arduino Uno，并結合 3D 打印技術研制了一款簡易的雙絞微電極制作裝置，并驗證了其制作性能和刺激效果。研究結果表明，利用上述雙絞微電極制作裝置制作雙絞微電極時，控制器的正向旋轉圈數大概為電極絲長度的 1.8 倍左右較為適宜，逆向旋轉圈數與電極絲長度無關，一般設置為 5 圈較為合適。
本文設計的雙絞微電極制作裝置共包含控制器、絞合裝置和支撐桿三部分，不僅結構簡單、操作方便，而且價格低廉，具體表現如下：① 該裝置功能具有較強的擴展性，不僅適合兩股電極絲的雙絞刺激微電極的制作，也可以用作四股電極絲的檢測電極的制作，只需增加支撐橫桿上凹槽的數量即可，如圖 1 局部圖所示；② 對于控制器，相對目前存在的電極制作裝置，該控制器的元器件極易獲得，都可以從國內主流購物網站上購買，而且價格低廉；③ 對于絞合裝置，采用 3D 打印設計，有效保證了加工的精度，而且絞合裝置緊口型的結構設計使操作更方便。
由于電極絲的長度與控制器的絞合圈數密切相關，在電極絲絞合中發現，電極絲的長度在 25 cm 左右時絞合的效果最佳。絞合的圈數除了受電極絲長度制約外，也會受到電極絲固定后初始狀態、絞合完成后的拉伸狀態、電極絲的硬度、電極絲的直徑等影響，因此在電極絲絞合時除了參考理論數據外，也要結合實際的經驗進行判斷。此外，電極絲絞合完成后的熱熔粘接固定也十分關鍵，如果熔化過度會使兩股電極絲之間短路，而熔化不足則起不到粘接固定的效果，因此在實際操作中也需要根據經驗判斷，采用循序漸進的策略，逐步加大熱熔的時間，避免熱熔過度而導致電極絲報廢。
基于動物自身運動系統，通過采用大腦微電流刺激，對動物運動行為進行調控實現的動物機器人，由于在靈活性、穩定性、能源效率方面具有較大優勢。因此最后本文利用鴿子為模式動物，利用鴿子機器人驗證了雙絞微電極的應用效果。盡管鴿子機器人的行為誘導受植入靶點、刺激參數、刺激器性能等多種因素影響，但是作為刺激器與神經靶點之間的連接接口，微電極的好壞會直接影響植入的效果，進而也會影響行為誘導的效果。因此鴿子機器人的刺激結果也從側面驗證了雙絞微電極制作裝置的性能。綜上可知，本文展示的雙絞微電極制作裝置結構簡單、價格低廉、易于實現，對于微電極制作的個性化、普及化以及降低實驗成本都有著積極的促進意義。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
對大腦特定核團神經電刺激以誘發動物特定運動行為已成為控制科學、神經科學、醫學等前沿交叉學科的研究熱點，目前已廣泛應用于視覺[1-2]、運動功能的恢復[3]，以及對帕金森病、阿爾茨海默癥、癲癇等疾病的治療[4-6]。作為大腦特定核團神經電刺激的必備元器件之一，微電極是連接大腦內部神經核團與外界電子設備的接口，起著利用電信號激勵或抑制神經活動以實現功能性電刺激的重要作用[7]。簡易廉價微電極制作裝置的研制對于滿足微電極植入的個性化需求以及降低實驗成本都有著積極意義。
在形形色色的神經刺激微電極中，雙絞微電極由于制作簡單且易于植入，在大腦特定核團神經電刺激調控中得到了廣泛應用[8-9]。但是，目前雙絞微電極的制作主要依賴于商業產品，如微電極制作裝置 tetrode spinner（2.0，Neuralynx Inc.，美國），其價格昂貴且對操作人員要求較高。2009 年，Nguyen 等[10]基于開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利）設計開發了一款簡易的微電極制作裝置（tetrode master），極大地降低了其制作成本。2020 年，Newman 等[11]在已有裝置 tetrode machine（SpikeGadgets LLC，美國）基礎上設計了一款新的制作裝置（twister 3），提高了其制作速度。但是無論是 tetrode master[10]還是 twister 3[11]，其制作成本依然比較高昂，而且部分元器件國內也不易購買。
針對此問題，本文受 tetrode master[10]電極制作裝置的啟發，利用開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利）和三維（three-dimensional，3D）打印技術設計并制作了一款簡易的雙絞微電極制作裝置，并提供了該裝置包含的核心元器件型號及數量。此外，還分析了利用該裝置制作雙絞微電極過程中電極絲長度和絞合圈數之間的對應關系，并利用鴿子機器人從側面進一步驗證了電極的刺激效果。與同類產品相比，本文提供的雙絞微電極制作裝置價格更加低廉，而且都可以通過主流購物網站獲得，制作簡單。
1 裝置的整體設計與制作
雙絞微電極由工作電極和反電極組成，在微電極的制作過程中，首先需要將工作電極絲和反電極絲進行絞合（即纏繞），然后利用熱風槍將電極絲絕緣層表面進行加熱熔化，以使兩根電極絲能夠互相粘接、固定在一起[12]。基于這一過程，雙絞微電極制作裝置主要由機械和電子兩部分組成，機械部分的作用主要是用于電極絲的固定和支撐，而電子部分主要是用于電極絲的絞合，互相配合完成雙絞微電極的制作。
1.1 機械部分組成
雙絞微電極制作裝置的機械部分主要包含了絞合裝置和支撐桿兩部分，整體如圖 1 所示。其中支撐桿由兩個相互垂直的支撐桿和底板組成，用于電極絲的固定。在水平支撐桿的端部有兩個開槽，用于絞合過程中防止電極絲的移動，如圖 1 右側局部圖所示。絞合裝置處于支撐桿和控制器之間，用于電極絲旋轉過程中保持電極絲的垂直拉伸狀態，主要由線夾、夾持桿和導引柱三部分組成，圖 1 給出了其結構示意圖和實物圖，其中導引柱采用上窄下寬的機械結構，在絞合中對夾持桿起到固定作用，這兩部分都是由 3D 打印技術制作完成。
圖1
裝置的機械部分組成
Figure1.
Mechanical component of the instrument
1.2 電子部分組成
雙絞微電極制作裝置的電子部分主要是指用于電極絲絞合的控制器，元器件分布和內部電路原理圖如圖 2 所示。本文設計的制作裝置核心元器件都是常用器件，控制器核心元器件包括微控制器開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利）、舵機（MG 996R，輝盛舵機，中國）、電源適配器（9V DC 650 mA）、電位器、光敏電阻、液晶顯示屏（LCD 1602，華田信科，中國）、蜂鳴器等。其中微控制器用于整個電路的邏輯控制和信息傳輸，舵機用于驅動絞合裝置進行旋轉，包括瞬時針絞合和逆時針絞合，電位器用于設置舵機旋轉的圈數，光敏電阻則用于判斷絞合裝置圈數的變化，而且這種改變可以實時顯示在液晶屏上，當絞合裝置的旋轉達到了設定的圈數時會通過蜂鳴器進行提示。
圖2
裝置的電子部分組成
Figure2.
Electronic component of the instrument
2 裝置的使用與雙絞微電極的制作流程
雙絞微電極的制作過程中，從電極絲的截取到電極制作完成大致包含 7 個步驟，其中固定、絞合和熱熔是三個關鍵步驟，制作流程如圖 3 所示。
圖3
雙絞微電極的制作流程
Figure3.
Process of the microelectrode fabrication
具體流程描述如下：
截取：將電極絲按一定長度截斷，電極絲截取的長度與旋轉的圈數具有正相關關系，電極絲越長需要旋轉的圈數越多，一般 25 cm 長度最佳。
固定：將電極絲通過絞合裝置和支撐桿固定在制作裝置上，要保證電極絲在固定后處于垂直拉伸狀態，可以用手指輕輕觸碰電極絲以確定電極絲拉伸度，不宜過緊也不宜太松。
絞合：絞合包含兩個步驟，順時針絞合和逆時針絞合。當電極絲固定完成后，打開控制器開關，控制器按事先設定的圈數進行旋轉。控制器首先按順時針旋轉以使電極絲進行絞合，然后按逆時針旋轉，逆時針旋轉的主要目的是泄力，即將順時針旋轉后過多的力泄掉，以使電極絲絞合后處于平衡狀態。
熱熔：熱熔的目的是將電極絲表面的絕緣層熔化后再黏合在一起，保證電極絲不會分離，并具有一定的硬度，圖 3 中絞合和熱熔步驟上的電極絲截面圖示意了這一變化過程。
卸取：用剪刀從支撐桿處將電極絲剪斷，并松開線夾，將粘接固定后的電極絲從制作裝置上取下。
測試和截斷：測試的目的是為了判斷兩股電極絲是否短路，由于電極絲在熱熔過程中如果操作不當，極易將電極絲表層的絕緣層熔化過多以使其短路。測試時首先將電極絲端部的絕緣層剝離，然后將萬用表置于蜂鳴檔，并將紅黑表筆分別與兩股電極絲端部導線相連，以判斷兩股電極絲之間是否短路。如果兩股電極絲之間是相互絕緣的，則用剪刀根據實際需要將電極絲分別截取成不同的小段，此時即可獲得電極絲成品。
焊接：將電極絲和電極座用電烙鐵進行焊接，以便于電極的植入和刺激信號的輸入。
3 裝置的性能驗證
3.1 電極制作性能測試
在雙絞微電極制作性能測試中，測量了電極絲長度與絞合圈數的對應關系，結果如圖 4 所示。由圖 4 可知，當電極絲處于初始狀態時，由于電極絲的拉力較小，使得夾持桿一般處于底部或接近底部的狀態，隨著兩股電極絲在控制器的旋轉下逐漸絞合，向上的拉力會逐漸增大，而導引柱上窄下寬的機械結構會給夾持桿一個擠壓力，阻止電極絲將夾持桿拉出，使電極絲能一直處于拉伸狀態。
圖4
電極制作性能測試結果
Figure4.
Performance test results of the microelectrode fabrication
為了獲得電極絲長度和絞合圈數之間的對應關系，將夾持桿在初始狀態和拉伸狀態，即電極絲開始絞合和絞合完成時所處的位置進行標記，保證不同長度電極絲在絞合過程中具有相同的初始狀態和拉伸狀態，結果如圖 4 右圖所示，圖中小圖為絞合后不同長度電極絲（左）和典型長度時夾持桿拉伸狀態（右）。由圖 4 可知，電極絲長度與旋轉圈數基本呈線性正相關關系，隨著電極絲長度的增加，旋轉圈數成比例增加。線性擬合結果顯示，旋轉圈數一般應設置為電極絲長度的 1.8 倍左右最適宜。
3.2 電極刺激效果測試
為了測試上述雙絞微電極的使用效果，利用鴿子為模式動物，從側面驗證電極的刺激性能，結果如圖 5 所示。根據文獻結果，將焊接后的雙絞微電極植入鴿子中腦對側的丘間核（intercollicularis，ICo），利用直流電刺激誘導鴿子進行相應的轉向行為[13]。實驗選用 6 只健康成年家鴿，體重 450～550 g，雌雄各半，實驗經過了黃淮學院倫理審查委員會審查。微電極植入前，鴿子進行全身麻醉，固定于腦立體定位儀（ST-5ND-C，成都儀器廠，中國）上。參考腦立體定位圖譜[14]，確定 ICo 區植入位置（A 2.00 mm，M 3.00 mm，D 7.00 mm），去除顱骨和硬腦膜后進行微電極植入。待 5～7 d 鴿子康復后，利用程控刺激器（YC-2，成都儀器廠，中國）進行運動行為誘導。
圖5
電極刺激性能測試結果
Figure5.
Performance test results of the microelectrode stimulation
如圖 5 電刺激原理圖所示，當雙絞微電極植入 ICo 腦區之后，利用刺激器將一定量的電流（微安級）經其中一股電極流入，然后經 ICo 區從另一股電極流出，形成回路，從而激活相應核團神經元，誘導出特定運動行為。通過對雙側 ICo 區進行電流刺激（方波，幅值 100 μA，頻率 80 Hz，占空比 50%）[15]，6 只鴿子都可以誘導出相對應的運動行為，即連續刺激左側 ICo 區可以誘導鴿子進行順時針旋轉，相應地連續刺激右側 ICo 區則會誘導鴿子進行逆時針旋轉，20 次實驗正確率 100%。圖 5 給出了自由運動狀態、刺激誘導順時針旋轉和刺激誘導逆時針旋轉效果。由圖 5 可知，電刺激誘導出被動的鴿子轉向行為與自由運動狀態下主動的轉向行為有明顯區別，這一結果也從側面進一步驗證了雙絞微電極的性能。
3.3 與同類產品性能對比
除了電極制作性能和電極刺激效果兩部分測試外，本文又進一步與現有同類產品對比了其核心部件的性能。如表 1 所示，給出了本文設計的微電極制作裝置的核心元器件及其型號和數量。由表 1 可知，本文設計的制作裝置核心元器件都是常用器件，微控制器使用的是開源電子原型平臺 Arduino Uno（Arduino LLC，意大利），伺服電機使用的是舵機（MG 996R，輝盛舵機，中國），顯示屏使用的是液晶顯示屏（LCD 1602，華田信科，中國），外殼、支撐桿和絞合裝置用 3D 打印或亞克力板制作，這些器件都十分容易獲得或進行加工，而且價格也十分低廉，總造價不超過 350 元人民幣。
表1
設備的元器件組成
Table1.
Component composition of the instrument
在與國際同類產品性能對比中，本文選用了三款比較典型的微電極制作裝置：tetrode machine（SpikeGadgets LLC，美國）、twister 3[11]、tetrode spinner（2.0，Neuralynx Inc.，美國），分別對比其微控制器、伺服電機、液晶顯示屏、電源適配器、支撐桿、自動熱熔、絞合裝置、絞合方式及總造價等 9 種參數，結果如表 2 所示。
表2
與同類產品核心部件的性能對比
Table2.
Performance comparison of core components with traditional products
由表 2 可知，盡管本文的設計不如 tetrode machine 功能齊全、不如 twister 3 驅動性能出眾、不如 tetrode spinner 2.0 制作精良，但是在總體造價上本文的設計要遠遠低于前三款產品，而且機械化絞合方式更加穩定。
4 討論
用電刺激取代自然激勵，以糾正神經回路錯誤或者調控運動行為為目標的大腦微電流刺激是神經調控研究的有效手段。作為連接特定神經核團和刺激器之間的接口，雙絞微電極在其中起到了重要作用。針對神經電刺激的雙絞微電極，通過借鑒 tetrode master[10]電極制作裝置的思路，利用開源電子原型平臺 Arduino Uno，并結合 3D 打印技術研制了一款簡易的雙絞微電極制作裝置，并驗證了其制作性能和刺激效果。研究結果表明，利用上述雙絞微電極制作裝置制作雙絞微電極時，控制器的正向旋轉圈數大概為電極絲長度的 1.8 倍左右較為適宜，逆向旋轉圈數與電極絲長度無關，一般設置為 5 圈較為合適。
本文設計的雙絞微電極制作裝置共包含控制器、絞合裝置和支撐桿三部分，不僅結構簡單、操作方便，而且價格低廉，具體表現如下：① 該裝置功能具有較強的擴展性，不僅適合兩股電極絲的雙絞刺激微電極的制作，也可以用作四股電極絲的檢測電極的制作，只需增加支撐橫桿上凹槽的數量即可，如圖 1 局部圖所示；② 對于控制器，相對目前存在的電極制作裝置，該控制器的元器件極易獲得，都可以從國內主流購物網站上購買，而且價格低廉；③ 對于絞合裝置，采用 3D 打印設計，有效保證了加工的精度，而且絞合裝置緊口型的結構設計使操作更方便。
由于電極絲的長度與控制器的絞合圈數密切相關，在電極絲絞合中發現，電極絲的長度在 25 cm 左右時絞合的效果最佳。絞合的圈數除了受電極絲長度制約外，也會受到電極絲固定后初始狀態、絞合完成后的拉伸狀態、電極絲的硬度、電極絲的直徑等影響，因此在電極絲絞合時除了參考理論數據外，也要結合實際的經驗進行判斷。此外，電極絲絞合完成后的熱熔粘接固定也十分關鍵，如果熔化過度會使兩股電極絲之間短路，而熔化不足則起不到粘接固定的效果，因此在實際操作中也需要根據經驗判斷，采用循序漸進的策略，逐步加大熱熔的時間，避免熱熔過度而導致電極絲報廢。
基于動物自身運動系統，通過采用大腦微電流刺激，對動物運動行為進行調控實現的動物機器人，由于在靈活性、穩定性、能源效率方面具有較大優勢。因此最后本文利用鴿子為模式動物，利用鴿子機器人驗證了雙絞微電極的應用效果。盡管鴿子機器人的行為誘導受植入靶點、刺激參數、刺激器性能等多種因素影響，但是作為刺激器與神經靶點之間的連接接口，微電極的好壞會直接影響植入的效果，進而也會影響行為誘導的效果。因此鴿子機器人的刺激結果也從側面驗證了雙絞微電極制作裝置的性能。綜上可知，本文展示的雙絞微電極制作裝置結構簡單、價格低廉、易于實現，對于微電極制作的個性化、普及化以及降低實驗成本都有著積極的促進意義。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
