一种用于体内局域场电位磁场记录的先进TMR传感器磁电极

在不直接接触电火花的情况下聆听大脑

我们的大脑每秒都在上演微小的电暴，学会读取这些波动可能为未来的脑—机接口提供动力，帮助人们通过思维移动、交流甚至玩游戏。本研究引入了一种新的监听大脑活动的方法，不是直接测量电位，而是通过感测神经细胞产生的微弱磁场，使用一种如发丝般细的装置——磁电极。

一种新型微小脑内探针

研究人员构建了一种基于隧道磁阻的微型探针，这项技术最初用于先进磁传感器。器件的活动端仅有数十微米宽，足够小以有限损伤植入脑内。与传统电极记录电压不同，这种磁电极对当附近区域的神经元群体同时放电时产生的极小磁场产生反应。这些汇合信号称为局域场电位，反映了神经元网络在运动、记忆与疾病状态下的协同活动。团队精心设计并互联传感元件，以在保持灵敏度的同时减少不需要的磁滞，从而能够追踪大脑活动的慢速与快速变化。

观测最微弱的大脑信号

由于神经元产生的磁场极其微弱，传感器必须足够安静才能从电子噪声中分辨出它们。作者在不同频率和电驱动设置下测量了器件产生的随机波动。他们发现低频的“1／f”噪声在许多大脑节律所在的频段占主导。通过降低为器件供电的偏置电流并将持续驱动切换为高频交流驱动，他们证明了这种麻烦的噪声可以被强烈抑制。由此得到的检测限在1 Hz时仅为数纳特斯拉，在更高频率下甚至更低，这与早期可植入磁探针以及不能植入的大型磁场仪器相比具有竞争力。

用人工与真实脑信号测试

为检验探针能否忠实追踪局域场电位，团队首先在实验室内建立了受控测试。用专门的神经信号发生器驱动的一根细铜线模拟了一小群神经元的协调电流。磁电极放置在屏蔽容器内靠近该铜线，其输出经过放大、滤波并随后进行数学重构。处理后得到的磁信号在形状与时间上与参考的局域场电位模式高度吻合，表明传感器及其电子系统能够恢复这些缓慢脑节律的波形与时序。

在活体大脑内聆听

最重要的测试是在活体大鼠中进行。研究人员将磁探针与标准微电极轻柔地植入海马体，两者相距不到十分之一毫米。由于两种设备采样的几乎是同一簇神经元，电记录与磁记录可以直接比较。在数个持续约100秒的段落中，团队分析了两种信号在不同频带的强度。磁信号与电信号的频谱在关键脑节律——尤其是theta和beta频段——上同步起伏，统计相似性指标保持高且稳定。相比之下，磁电极在植入前仅拾取背景噪声时的记录与电信号的吻合度要差得多，证实了脑内的磁迹确实反映了神经活动。

为大脑环境而建，能长期存活

任何植入物都必须在温暖、含盐的大脑液体中保持稳定。为测试耐久性，磁电极在体温下浸泡在人工脑脊液中一周。团队多次测量器件对测试磁场的响应强度及其电阻变化。灵敏度与信号强度的漂移均小于几个百分点，表明包覆在传感器周围的保护层有效阻挡了腐蚀，探针在典型实验所需的时间尺度内能够提供可靠读数。

对未来脑接口的意义

这项工作表明，微小的植入式磁传感器能够追踪与标准电极相同的大脑节律，并能利用磁场穿透组织更为干净的特性。对普通读者而言，关键思想是大脑活动不仅可以通过接触其电荷来监测，也可以通过感受这些电荷的磁回声来监测。这里开发的磁电极体积小、灵敏且足够稳定，可作为一种新型的大脑聆听装置，可能丰富用于脑—机接口及研究与异常神经节律相关疾病的工具。

引用: Wang, Y., Luo, J., Zhang, C. et al. An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording. Microsyst Nanoeng 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01262-9

关键词: 大脑磁记录, 局域场电位, 隧道磁阻, 神经接口, 脑–机接口