讓我們想象一臺由 860 億個交換機組成的計算機：其通用智能足以構(gòu)建一個航天文明——但重量僅為1.2公斤，僅消耗20 瓦的功率，并且質(zhì)地柔軟，在移動時會像果凍一樣搖晃。

是不是很不可思議的存在，別驚訝，你的腦袋里目前就有一個如此神奇的東西——大腦。這是生物進化的驚人成就，但是，沒有人知道它是如何工作的。

那么，在無法觀察大腦內(nèi)處于運行中的微電路的情況下，要怎么樣弄清楚大腦內(nèi)部是如何工作的？

也正因如此，多年以來，人類大腦（甚至是老鼠的大腦和更簡單的生物體）的許多操作細節(jié)仍然非常神秘，即使對最厲害的神經(jīng)科學家來說也是如此。

人們通常認為對大腦的研究需要依賴科學的進展，但實際上，對大腦的科學研究本質(zhì)是傳感器技術(shù)應用的進步。每一項能夠輔助大腦活動的新方法的發(fā)明，包括頭皮電極、核磁共振成像和壓入皮層表面的微芯片，都在幫助我們理解所有器官中最復雜、最人性化的那個——大腦。

大腦本質(zhì)上是一個器官，加上其凝膠狀的質(zhì)地，讓對它的探索尤為艱難。2010 年，比利時納米電子研發(fā)機構(gòu)Imec研究者與霍華德休斯醫(yī)學研究所(HHMI) 的領(lǐng)先神經(jīng)科學家會面，探討如何使用先進的微電子技術(shù)來發(fā)明一種新的傳感器。當時，兩家研究機構(gòu)的目標是：在少量腦組織中同時監(jiān)聽數(shù)千個神經(jīng)元之間發(fā)生的電對話。

HHMI 的高級科學家Timothy D. Harris表示，需要在自由移動的動物體內(nèi)的局部神經(jīng)回路中記錄每個神經(jīng)元的運動。這意味著要建造一個足夠長的數(shù)字探針，以到達這個器官的任意位置。同時，這個探針又要足夠纖細，不會在進入過程中破壞脆弱的組織。探針還需要足夠耐用，以便在數(shù)周甚至數(shù)月保持穩(wěn)定，并可靠記錄大腦通過復雜的信號引導的身體行為。

不同種類的神經(jīng)探針如何從發(fā)射神經(jīng)元中獲取活動：猶他陣列的三個尖齒，每個尖齒上有一個電極 [左]，一個細長的鎢絲電極 [中]，以及一個沿其長度有電極的 Neuropixels 柄 [方格圖案，對]。圖源：馬薩諸塞州總醫(yī)院

對于電氣工程師來說，這些要求疊加在了一起，極難被滿足。但是，一個由工程師、神經(jīng)科學家和軟件設計師組成的全球多學科團隊經(jīng)過十多年的研發(fā)終于實現(xiàn)了突破，他們通過創(chuàng)造一種新工具，嘗試解決這個難題

比利時領(lǐng)先的獨立納米電子研發(fā)機構(gòu)Imec的首席科學家Barun Dutta表示，這一工具讓他看到了擴展先進半導體技術(shù)以服務于廣泛的新生物醫(yī)學和腦科學領(lǐng)域的機會。

科學家們將這一新的工具系統(tǒng)命名為 Neuropixels，因為它的功能類似于成像設備，只不過，它所獲取的是電場而不是光子場。當前這一工具已經(jīng)通過早期實驗，幫助人們探索一些大腦持續(xù)很久的問題。，例如口渴和饑餓的產(chǎn)生，是什么調(diào)節(jié)了對生存至關(guān)重要的行為？我們的神經(jīng)系統(tǒng)如何映射個人在物理環(huán)境中的位置？

未來，Neuropixels或許可以將神經(jīng)科學推向新的階段，并讓一些與大腦相關(guān)的疾病治療，例如癲癇和帕金森病等，成為可能。

去年已經(jīng)發(fā)布的Neuropixels2.0 版系統(tǒng)比四年前生產(chǎn)的初始版本增加了大約一個數(shù)量級的傳感器數(shù)量。它為未來的腦機接口鋪平了道路，比如可以讓癱瘓病人用接近正常對話的速度進行交流。目前，3.0 版本也進入了開發(fā)階段。

如何將數(shù)千個微米大小的電極裝進大腦？ 要了解大腦回路是如何工作的，需要記錄數(shù)百個神經(jīng)元在活體動物中交換信息時的個體快速活動。顱骨上的外部電極沒有足夠的空間分辨率，功能性 MRI 技術(shù)缺乏記錄快速變化信號所需的速度。竊聽這些信號需要在它發(fā)生的細胞中進行：我們需要一種方法，將數(shù)千個微米大小的電極直接與大腦任何地方的垂直神經(jīng)元柱接觸。（幸運的是，神經(jīng)科學家發(fā)現(xiàn)，當大腦區(qū)域處于活動狀態(tài)時，相關(guān)信號會垂直和水平地通過該區(qū)域。） 這些功能目標推動研究組的設計朝著裝有電子傳感器的細長硅柄方向發(fā)展。然而，他們很快意識到面臨著一個重大的材料問題：這項研究需要的設備是由Imec的CMOS工廠批量生產(chǎn)的，但是 CMOS 兼容的電子產(chǎn)品在高密度包裝時是剛性的。

在一個頭部平臺上安裝兩個 Neuropixels 2.0 探針，該板位于頭骨外，總共提供 8 個帶有 10,240 個記錄電極的小腿。圖源IMEC 相比之下，大腦具有與希臘酸奶相同的彈性。試著在酸奶中加入幾縷天使發(fā)意大利面，然后搖晃幾下，你就會發(fā)現(xiàn)問題所在。如果意大利面太濕，它會在放入時彎曲或根本不會放入。太干了，它會破裂。我們?nèi)绾未蛟旒饶鼙３止P直進入，又能在搖晃的大腦中足夠彎曲的探針，從而在不損壞相鄰腦細胞的情況下保持數(shù)月有效運作？ 腦生物學專家建議研究組使用金或鉑作為電極，使用有機金屬聚合物作為柄。但這些都不與先進的 CMOS 制造兼容。經(jīng)過一些研究和大量工程設計，Imec研究者Silke Musa發(fā)明了一種氮化鈦——一種極其堅韌的電陶瓷——與 CMOS 晶圓廠和動物大腦兼容。該材料也是多孔的，因此具有低阻抗；這種質(zhì)量非常有助于讓電流進入并清除信號，而不會加熱附近的細胞、產(chǎn)生噪音和破壞數(shù)據(jù)。 由于大量的材料科學研究和從微機電系統(tǒng)(MEMS) 中借鑒的一些技術(shù)，我們現(xiàn)在能夠控制在硅柄和氮化鈦電極的沉積和蝕刻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力，從而使探針長柄始終如一：盡管只有 23 微米 (μm) 厚，但出來時幾乎完全筆直。每個探頭由四個平行的長柄組成，每個柄上都鑲嵌有 1,280 個電極。探針長度為 1 厘米，足以到達小鼠大腦中的任何位置。2021 年發(fā)表的小鼠研究表明，隨著嚙齒動物的生活，Neuropixels 2.0 設備可以連續(xù)六個月從相同的神經(jīng)元收集數(shù)據(jù)。 在這樣的長期研究中，CMOS 兼容的探頭和腦組織之間軟硬度上的差別則帶來了另一個主要問題：當探針不可避免地相對于移動的大腦發(fā)生位置移動時，如何跟蹤單個神經(jīng)元。神經(jīng)元大小為 20 至 100 μm；每個方形像素（我們稱之為電極）的寬度為 15 μm，小到可以記錄單個神經(jīng)元的孤立活動。但是經(jīng)過六個月的推擠活動，整個探針可以在大腦內(nèi)移動多達 500 μm。在此期間，任何特定的像素都可能會看到幾個神經(jīng)元來來去去。

今天最常見的神經(jīng)記錄設備是猶他陣列[上圖，左]，它的每個尖頭都有一個電極。相比之下，Neuropixels 探針 [右上圖] 在其每個長柄上都有數(shù)百個電極。掃描電子顯微鏡 [下] 拍攝的圖像放大了幾個 Neuropixels 柄的尖端。圖源：馬薩諸塞州總醫(yī)院/IMEC/NATURE NEUROSCIENCE 每個長柄上的 1,280 個電極可單獨尋址，四個平行的柄提供了有效的 2D 讀數(shù)，這與 CMOS 相機圖像非常相似，也是 Neuropixels 名稱的靈感來源。這種相似性讓研究組意識到，神經(jīng)元相對于像素移動的問題直接類似于圖像穩(wěn)定。就像用搖晃的相機拍攝的對象一樣，大腦中的神經(jīng)元在它們的電行為上是相關(guān)的。我們能夠采用多年前開發(fā)的用于修復相機抖動的知識和算法來解決大腦的探頭抖動問題。激活穩(wěn)定軟件后，現(xiàn)在能夠在神經(jīng)回路穿過四個長柄中的任何一個或全部時應用自動校正。 2.0 版將頭部平臺（位于顱骨外部、控制植入探針并輸出數(shù)字數(shù)據(jù)的電路板）縮小到縮略圖大小。單個探頭和底座現(xiàn)在可以支持兩個探頭，每個探頭延伸四個柄，總共 10,240 個記錄電極。由快速增長的 Neuropixels 研究人員用戶群編寫的控制軟件和應用程序允許同時對 768 個不同神經(jīng)元的放電活動進行 30 千赫茲的實時采樣，這些神經(jīng)元可以從探針接觸的數(shù)千個神經(jīng)元中隨意選擇。這種高采樣率是 CMOS 成像芯片通常記錄的每秒 60 幀的 500 倍，會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，但這些設備還不能捕獲每個接觸的神經(jīng)元的活動。 在短短四年內(nèi)，“大腦相機”的像素密度幾乎翻了一番，我們可以同時記錄的像素數(shù)量翻了一番，總像素數(shù)增加了十倍以上，同時將外部電子設備的尺寸縮小了一半。這種類似于摩爾定律的進步速度在很大程度上是由使用商業(yè)規(guī)模的 CMOS 和 MEMS 制造工藝推動的，我們看到它還在繼續(xù)。 下一代設計 Neuropixels 3.0 已經(jīng)在開發(fā)中，并有望在 2025 年左右發(fā)布，并保持四年翻新的節(jié)奏。在 3.0 中，我們預計像素數(shù)將再次飛躍，以允許竊聽大約 50,000 到 100,000 個神經(jīng)元。目前，研究組的目標還包括增加探頭并將輸出帶寬增加三倍或四倍，同時將底座縮小兩倍。 商業(yè)規(guī)模的 CMOS 制造工藝推動大腦探索的持續(xù)進展

自 2017 年以來，這一系統(tǒng)的使用率猛增。全球 650 多個實驗室的研究人員現(xiàn)在使用 Neuropixels 設備，一個蓬勃發(fā)展的開源社區(qū)正在為他們創(chuàng)建應用程序。如雨后春筍般涌現(xiàn)的項目也令人著迷：例如，西雅圖的艾倫腦科學研究所最近使用 Neuropixels創(chuàng)建了一個包含100,000 多個參與視覺感知的神經(jīng)元的活動數(shù)據(jù)庫，而斯坦福大學的一個小組使用這些設備可以繪制出小鼠大腦 34 個不同部位的口渴感是如何表現(xiàn)的。 目前，研究組已經(jīng)開始制造長達 5 厘米的更長探針，并確定了通往 15 厘米探針的路徑——大到足以到達人類大腦的中心。Neuropixels 在人體中的 首次試驗取得了成功，很快這些設備將用于更好地定位植入式刺激器，以 10 微米的精度平息帕金森病引起的震顫。不久后，這些設備還可以幫助確定哪些區(qū)域?qū)е掳d癇患者大腦中的癲癇發(fā)作，以便通過矯正手術(shù)去掉有問題的部分。

第一個 Neuropixels 設備 [上] 有一個帶有 966 個電極的柄。Neuropixels 2.0 [下] 有四個小腿，每個小腿有 1,280 個電極。兩個探頭可以安裝在一個探頭上。圖源：IMEC 從軟件到硬件的電子、模數(shù)接口已經(jīng)出現(xiàn)了很長時間。但沒有人想到，神經(jīng)科學和微電子工程的進步讓我們終于有了一個工具，可以開始對大腦的奇跡進行逆向工程。

審核編輯 ：李倩