该芯片的诞生，标志着在理解和绘制复杂神经网络方面迈出了重要一步，有望为神经科学研究、人工智能发展以及心理健康研究等多个领域带来深远影响。
近日，美国哈佛大学团队在神经科学研究领域取得重大突破，成功开发出一款新型互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片，能够记录大量神经元间突触信号的细微变化。
研究成果以《通过微孔电极阵列的并行化细胞内记录来映射数千个神经元之间的突触连接》（Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array）为题，发表在最新的《自然・生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）杂志上。
相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）
该芯片的诞生，标志着在理解和绘制复杂神经网络方面迈出了重要一步，有望为神经科学研究、人工智能发展以及心理健康研究等多个领域带来深远影响。
技术原理与突破
据《自然》杂志报道，这款新型硅芯片采用CMOS工艺制造，每个像素焊盘集成微孔电极，通过蚀刻铝钝化层形成直径10微米的孔洞，并沉积铂黑提升电导率。内置了 4096 个微孔电极阵列，每个微孔电极类似于一个膜片钳电极，通过在单个芯片中集成超过 4000 个这样的阵列，研究人员能够有效监测数千个神经元的电活动。
（来源：Nature Biomedical Engineering）
“这种易用性是我们研究的另一个重要特点。” 哈佛大学研究人员、论文第一作者Jun Wang表示，“这种微孔电极的设计理念极大地简化了制造过程，同时提高了电极的稳定性和耐用性。”
微孔电极通过小电流注入实现神经元膜通透性控制，平均电流强度较纳米针减少80%，大幅降低对细胞的干扰。实验显示，单孔芯片在60分钟内维持90%的细胞内耦合率，动作电位振幅达4.7mV，记录持续时间延长至32分钟，远超传统技术。
实验成果
利用该芯片，研究者们已经成功绘制了2,000个大鼠神经元之间的7万多个突触连接图谱，显著提高了细胞内耦合效率。实验结果显示，在 4096 个微孔电极中，平均有超过 3600 个实现了与顶部神经元的细胞内耦合，并提取突触后电位（PSP）等亚阈值信号。
相比2020年开发的垂直纳米针电极技术，新研发的微孔电极不仅更容易制造，而且在与神经元内部耦合上表现更优，为大规模并行细胞内记录提供了可能。基于此，团队记录了超过 7 万个连接，这一数字是此前 300 个连接记录的 200 多倍，误差率仅5%。
“我们已经在这方面取得了长足的进步，从这些数据中获得了关于突触连接的深刻见解。” 研究人员韩东赫（Donhee Ham）表示。该芯片不仅能够测量每个连接的信号强度，还能识别信号类型，为理解大脑如何处理信息提供了关键线索。
行业意义
这一成果在神经科学研究领域具有里程碑意义，打破了传统技术的局限性：
1、传统的电子显微镜虽然能够观察到突触连接的形态，但无法测量和记录信号的传输过程；
2、膜片钳电极虽能高精度记录单个神经元，但通量极低（仅1-5个神经元），难以满足大规模研究需求;
3、微电极阵列（MEA，micro electrode array）虽可并行记录，但灵敏度不足，无法区分突触信号细节.
新型 CMOS 芯片则结合了膜片钳的灵敏度与MEA的高通量优势，能够同时监测数千个神经元的活动，大大拓展了研究的广度和深度。
（来源：Nature Biomedical Engineering）
“我们的研究成果是神经科学研究领域的一个里程碑。”韩东赫教授表示，“通过这项技术，我们不仅能够测量每个突触连接的信号强度和类型，还能深入理解这些复杂的神经网络是如何工作的。”此次研究中，科学家们还解决了如何分析海量数据的挑战，为未来进一步探索大脑功能奠定了基础。
未来能用在哪些领域？
尽管取得了显著进展，但绘制完整人脑图谱的任务仍然任重道远。人类大脑拥有约 860 亿个神经元，每个神经元平均有 35 个连接，这意味着大脑中至少有 30.1 亿个突触连接。面对如此庞大的数据量，如何进行有效的分析和处理成为了一个巨大的挑战。
研究团队成员韩东赫表示，他们正在致力于开发一种可用于活体大脑的新设计，以应对这一挑战。如果能够在活体大脑中成功实现神经连接的映射，这一技术将为多项技术进步提供可能。例如：
1、它可以应用于人工智能训练，提高 AI 芯片的效率和计算能力，从而在不消耗大量电力的情况下实现巨大的计算性能；
2、未来若实现活体大脑部署，该技术可解析癫痫、阿尔茨海默病等疾病的突触异常机制，推动精准治疗；
3、高通量记录能力使其成为评估神经药物对网络影响的理想工具，加速新药开发进程。
4、此外，这一技术还可应用于心理健康研究，帮助科学家更好地理解突触连接的活动（或异常活动）如何影响大脑的感知和认知功能，有助于揭示突触连接异常与精神疾病之间的关系。
您可能感兴趣