薄膜聚合物微電極陣列（MEA）以其卓越的機械順應性為高分辨率神經記錄提供了便利。然而，密集的電極和互連器件以及超薄聚合物封裝/基底層會產生不可忽略的串擾，從而嚴重干擾神經信號的記錄。由于缺乏對神經電極陣列串擾的標準化表征或建模，迄今為止，人們對聚合物MEA中的串擾仍然知之甚少。在這項工作中，通過實驗測量了兩個相鄰聚合物微電極之間的串擾，并使用等效電路建立了模型。重要的是，這項研究展示了一個雙孔測量平臺，并在真正隔離受害通道和精確控制其接地條件的情況下，系統地描述了聚合物微電極串擾的特征。通過詳細的電路建模，提出了一個簡單的統一方程來計算不同環境下的串擾。此外，還進一步進行了有限元分析(FEA)分析，以探討在更大尺度的聚合物電極線中的串擾問題。除了使神經電極陣列串擾表征標準化之外，這項研究不僅揭示了聚合物MEA中的串擾與各種關鍵器件參數的關系，還為設計用于高質量神經信號記錄的薄聚合物MEA提供了一般指導原則。


薄膜聚合物微電極陣列（MEA）是神經科學和神經工程領域日益重要的設備，它能通過與軟組織更具機械順應性的基底測量神經元活動。例如，的研究人員最近開發出了帶有數千個電極的柔性電極“線”，可植入大腦并針對特定腦區進行信號記錄。對聚合物MEA的持續研究，包括更高的電極密度、更多的通道數量、更優化的封裝/基底層和器件占地面積，對于實現所需的性能，如空間分辨率、信號質量、信息吞吐量和長期生物相容性至關重要。然而，在按比例放大的MEA中，密集排列、數量不斷增加的微電極和互連器件會導致信號串擾，從而對信號記錄造成嚴重干擾。據報道，在基于硅（Si）的最新神經探針設計中，串擾系數從0.006%到8%不等，而大于1%的串擾在神經信號記錄中被認為是不可忽略的。由于聚合物材料的絕緣性能有限，而且需要較薄的封裝/基底層來實現機械順應性，因此聚合物MEA的情況可能更糟。雖然已有關于硅基神經器件串擾的研究，但很少有關于聚合物MEA串擾的報道。此外，迄今為止，不同的器件參數如何影響聚合物MEA中的串擾現象在很大程度上仍是未知數。

文獻中采用了不同的方法來分析硅探針中的串擾。多項研究開發了兩個平行金屬跡線的等效電路，用于分析硅探針中的串擾]。在這些電路模型中，可以通過考慮記錄路徑中涉及的不同阻抗（如電極阻抗、放大器輸入阻抗、跡線分流阻抗以及最重要的跡線間耦合阻抗）來對串擾進行理論建模。這些阻抗可通過實驗測量得出串擾。串擾也可以通過實驗量化，方法是將電信號輸入一個通道，并從相鄰通道進行記錄。然而，由于缺乏局部微尺度信號發生器（相當于神經元的工作臺測試），從真實設備或測試結構中測量準確的串擾值并驗證串擾電路建模的準確性一直是個挑戰。此外，不同的研究對不同個體環境（如空氣或鹽溶液）中的串擾進行了量化。但是，之前的研究都沒有考慮到串擾會受到不同電極接地條件的影響，也沒有將這一因素納入建模和表征中，從而更準確地預測體內串擾。具體來說，在真實的體內環境中，受害電極不會像典型的硅探針研究那樣接地或被絕緣體包裹，因為它們也要記錄神經元信號。一般來說，無論神經電極陣列的類型如何，都沒有對其串擾進行標準化表征或建模。


在這項工作中，我們通過交叉研究新近獲得的理論和實驗結果，全面研究了Kapton細線中相鄰微電極之間的串擾。首先，我們利用一種新穎的兩孔三環境裝置，系統地測量了兩個柔性微電極之間的串擾，同時將受害通道與來自兩個孔的信號輸入真正隔離開來，并將其作為不同互連距離、不同厚度的SU8封裝層以及受害通道所處的不同接地條件（即干燥、浮動潮濕和潮濕且具有不同分流阻抗）的函數。然后，我們在統一的框架下，利用電極及其互連器件之間的耦合阻抗，通過等效電路建立了串擾模型，并通過雙孔設置和三種不同環境下的實驗串擾結果的頻率依賴性進一步驗證了這一點。我們進一步利用有限元分析（FEA）模擬電極及其互連器件之間的耦合阻抗，并預測了在體內設置的更大比例聚合物MEA中，串擾與關鍵器件參數的函數關系。這項研究不僅規范了一般MEA的串擾評估，還特別揭示了聚合物MEA中的串擾與各種重要設備參數的關系，為高質量神經接口的聚合物MEA設計提供了指導。