近十年来，随着各种国家级大脑研究项目在全球范围内的启动，绘制大脑活动图谱一直是研究热点，其对于了解和治疗神经系统疾病以及开发神经形态计算方法具有重要价值。当前的神经科学领域就像元素周期表出现之前的化学领域：人们知道元素和化合物，但缺乏系统的理论对相关的知识进行分类。人脑的复杂性使神经网络的连接变得更加复杂，据估计，人脑包含1000亿个神经元、100万亿个突触和100种化学神经递质。神经元电压门控通道的开放会触发动作电位或尖峰脉冲。了解是什么触发或阻止了神经元放电，有助于理解特定“细胞类型”如何处理信息并与其它细胞交流。
近年来，我们见证了全球范围内为解开人类大脑之谜而对各种计划进行的持续大量投资。要发现大脑活动和相关疾病的内在机制，理想的记录工具应能同时检测多个大脑部位的尖峰脉冲，并具有最小的噪声和细胞级分辨率。它还应具有良好的生物相容性，以最大限度地减少创伤，并覆盖从单个神经元到其错综复杂的连接网络的记录范围。这种性能取决于电极位点和芯片通道的记录密度。
用于神经记录的高密度电极和芯片的发展遵循神经技术领域的“摩尔定律”，即可以同时记录的神经元数量大约每7年翻一番。在过去二十年中，随着技术的发展，电极和芯片中的通道数量已从几个增加到数千个甚至数万个。虽然高密度记录技术成果丰硕，但由于神经技术的发展相对缓慢，在探索脑尺度研究方面与实际需求仍存在巨大差距，因为研究人员从未完全解决现有的和新出现的挑战。
高密度神经记录电极和芯片的演变
目前，在电极研究方面，面临的挑战主要包括：在不增加阻抗或热噪声的同时扩大微电极尺寸以满足更高的密度和采样分辨率；在不增加组织损伤的情况下增加可以记录的脑体积范围；以及在不增加体积和重量的情况下封装记录电极阵列。在芯片研究方面，对具有高记录质量的大规模并行记录通道的探索从未停止，例如，如何在有限的硅面积和功耗下实现低噪声和小通道串扰。成功应对这些挑战将实现甚至加快神经技术“摩尔定律”的步伐，使脑科学的发展更加迅速。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自上海交通大学、西北工业大学、贵州航天计量测试技术研究所、荷兰莱顿大学（Leiden University）以及美国新墨西哥州立大学（New Mexico State University）的研究人员共同在Brain-X期刊上发表了题为“High-density implantable neural electrodes and chips for massive neural recordings”的综述性论文，希望通过讨论用于神经记录的高密度电极和芯片的最新进展，找到解决上述挑战的可能方法。
本文首先介绍了高密度植入式神经记录电极的制备、封装和应用限制，并进一步探讨了高密度神经记录芯片的技术实现和性能改进方法。随后，该综述总结了高密度神经电极阵列的构建、扇出策略和高良率实现方面的进展。
高密度神经电极的构建
高密度神经电极的键合方法
高密度神经电极阵列的良率
此外，该综述从电路和架构层面讨论了用于实现低功耗、小面积，以及满足高密度、多记录通道要求的高性能芯片的设计技术。
典型的脑机接口（BCI）片上系统（SoC）框图
架构级芯片设计技术
最后，该综述总结了用于下一代高密度神经记录的多学科新兴技术突破和发现的融合。
综上所述，这篇文章讨论了高密度植入式神经电极和芯片方面振奋人心的研究进展。然而，尽管研究人员近年来已经取得了重大突破，但目前同步记录神经元的密度远不能满足神经科学研究的需要。
研究人员必须应对许多挑战，以满足对全脑细胞级时空分辨率的迫切需求。这些挑战包括但不限于：（1）实现电极的微型化和脑组织高亲和性，包括在电极构建过程中应用新材料、新结构和新工艺，以实现神经信号的高良率，同时减少侵入损伤；（2）与记录通道不断增加相关的大量片上和片下数据处理和传输，包括利用新架构和先进工艺优化记录芯片的面积和功耗效率，以及引入噪声抑制技术以抑制被称为噪声的输入，从而实现高质量的信号采集；（3）电极和芯片的生物相容性和稳定键合：应在电极和芯片的键合中广泛采用更先进的高密度、高可靠性扇出方案，包括通孔基板连接、直通连接和晶圆级封装技术；（4）高密度脑机接口系统的气密性、微型化和可靠封装：应开发更多具有高组织亲和性和强耐腐蚀性的聚氯三氟乙烯等材料，并在高密度系统的封装中广泛采用。
展望未来，来自材料科学、机械工程、生物医学、人工智能和许多其它学科的新兴技术突破和发现将不断激发出令人惊叹的尖端高时空神经记录工具。在多学科研究人员的共同努力下，脑机接口工具的密度、功能、模式和生物相容性必然会得到意想不到的快速提升。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/brx2.65
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