6月25日，新華社以《突破性成果！祝賀我國科學家》為標題，報道了由我國科學家研發(fā)的傳感器成果。

我國科學家研發(fā)高通道神經(jīng)探針實現(xiàn)獼猴全腦尺度神經(jīng)活動監(jiān)測

神經(jīng)探針是一種用來記錄神經(jīng)活動的針狀電傳感器，是腦科學研究和腦機接口中的核心技術(shù)。北京大學研究人員通過技術(shù)創(chuàng)新成功研發(fā)一種高密度、高通道的神經(jīng)探針，在國際上首次實現(xiàn)對獼猴大腦全深度、高通量神經(jīng)元活動的記錄。其單根探針上集成了1024個可同時記錄的神經(jīng)信號通道，達到國際領(lǐng)先水平。該成果24日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·神經(jīng)科學》。

在整腦范圍內(nèi)實現(xiàn)多腦區(qū)、長時間、高通量、高時空分辨神經(jīng)活動的記錄，對理解大腦的神經(jīng)機制、調(diào)控神經(jīng)活動具有重要意義。已有的高通道神經(jīng)探針主要適用于鼠等嚙齒類動物腦研究，即便用于靈長類動物腦研究，也難以覆蓋其整腦尺度。

北京大學未來技術(shù)學院段小潔研究員團隊設計并制備了一種超薄柔性微電極陣列薄膜，通過如“卷軸”般特殊的繞卷組裝工藝，制造出名為“神經(jīng)卷軸”的神經(jīng)探針。該探針長度可在1厘米到1分米范圍內(nèi)靈活設計，從而匹配從嚙齒類到靈長類動物的大腦尺寸。

制備高通道神經(jīng)探針的一個主要瓶頸是神經(jīng)探針和后端電子器件之間的連接。良好的電學連接可實現(xiàn)神經(jīng)信號的精準采集與傳輸。為此，研究團隊還研發(fā)了高密度柔性冷焊技術(shù)，實現(xiàn)了“神經(jīng)卷軸”探針與后端電子器件的集成化、高密度連接。

圖為9厘米長的“神經(jīng)卷軸”探針實物。（受訪者提供）

段小潔介紹，團隊利用“神經(jīng)卷軸”探針，在獼猴大腦中實現(xiàn)了從腦表面皮層至顱底全深度覆蓋的超700個單神經(jīng)元活動的同時監(jiān)測。此外，還在大鼠大腦中實現(xiàn)了長達兩年的穩(wěn)定神經(jīng)記錄，展現(xiàn)出該探針優(yōu)異的生物相容性和長期記錄穩(wěn)定性。

中國科學院院士、北京大學國家生物醫(yī)學成像科學中心主任程和平表示，這一突破性成果為多腦區(qū)活動的高通量同步監(jiān)測、探究神經(jīng)活動與行為學間的關(guān)系提供有力工具，未來通過多根探針的植入，可進一步實現(xiàn)從數(shù)千到上萬個通道的神經(jīng)記錄，將對基礎(chǔ)神經(jīng)科學和腦機接口等轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學研究帶來變革性影響。

以下為北京大學段小潔團隊該論文介紹。

iNature

在靈長類動物大腦中進行單細胞分辨率的大規(guī)模神經(jīng)種群記錄仍然具有挑戰(zhàn)性。 2024年6月24日，北京大學段小潔團隊在Nature Neuroscience（IF=21）在線發(fā)表題為“A high-density 1,024-channel probe forbrain-wide recordings in non-humanprimates”的研究論文，該研究介紹了Neuroscroll探針，它可以同時從1,024個密集間隔的通道中分離單個神經(jīng)元活動，這些通道靈活地分布在探針的柄上。 Neuroscroll探針的長度可以很容易地調(diào)整為10毫米到90毫米的單個探針，覆蓋非人類靈長類動物和人類的大腦大小，并且探針在反復彎曲變形后保持完整和功能。Neuroscroll探針提供了可靠的記錄，從大鼠的大神經(jīng)群具有高的慢性穩(wěn)定性長達105周。每個神經(jīng)卷軸探針的記錄同時從分布在整個恒河猴大腦深處的多個大腦區(qū)域產(chǎn)生了數(shù)百個隔離良好的單個單元。憑借數(shù)千個同時記錄的通道，前所未有的探針長度，出色的機械穩(wěn)定性和靈活的記錄位點分布，Neuroscroll探針在系統(tǒng)神經(jīng)科學研究中具有廣泛的多功能性，可以提供廣泛的新實驗范例。

在神經(jīng)元尺度和高時間分辨率上記錄靈長類動物的大腦活動是研究大腦在感覺、運動和認知任務中的運作的重要基礎(chǔ)。非人靈長類動物(NHPs)的神經(jīng)記錄技術(shù)已經(jīng)取得了相當大的進步，但它們在吞吐量和空間覆蓋方面仍然存在局限性。雖然表面陣列可以同時記錄多達256個通道，但它們僅限于在表層皮層預先指定的深度進行記錄。相比之下，線性陣列(V型探針或S型探針)可以訪問整個大腦。然而，它們被限制在64個通道數(shù)，并且具有更大的直徑(例如360 μm)，導致組織損傷增加，信號質(zhì)量降低。神經(jīng)像素探針是一種高密度的硅電極，在記錄嚙齒類動物大腦中的大量神經(jīng)元方面取得了巨大的成功。最近開發(fā)的Neuropixels探針具有更厚的柄和更長的長度，可達45毫米，為NHPs的深部腦結(jié)構(gòu)提供了可達性。然而，384的通道數(shù)雖然大大高于傳統(tǒng)探針，但考慮到與嚙齒動物大腦相比，NHP大腦的空間尺度要大得多，這仍然是有限的。盡管Neuropixels探針的384通道配置允許從高密度的嚙齒動物大腦的整個深度同時記錄，但這種能力在NHP中并不完全實現(xiàn)。

NHP的腦容量大得多，因此需要同時記錄更多的通道，以便全面記錄整個NHP大腦的神經(jīng)元活動。增加的45mm的探針長度與NHP腦的大小更好地對齊，與之前的10mm長度相比，這是一個顯著的進步。然而，考慮到使用頭腔和引導插管進入大腦的典型要求，以及這些探針在人腦上的潛在應用，更長的長度達到約1分米將是非常理想的。此外，硅探針的易碎性帶來了植入和記錄失敗的高風險，并且制造這些探針所需的特定互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)限制了它們的可用性。開發(fā)具有更高通道數(shù)和類似于NHP和人腦大小的高密度神經(jīng)探針，將使靈長類動物在全腦空間尺度上同時記錄多個大腦區(qū)域的大量神經(jīng)元的神經(jīng)元活動成為可能，這是理解大腦功能基礎(chǔ)活動的全局協(xié)調(diào)的重要一步。探針長度和記錄位點沿探針柄的空間分布的靈活性以及不需要復雜的制造技術(shù)的簡單制備過程提供了極大的便利性和多功能性，這保證了這些探針的廣泛應用。

Neuroscroll探針（圖源自Nature Neuroscience）

該研究表明，在嚙齒類動物和NHPs的全腦空間范圍內(nèi)，Neuroscroll探針可以同時記錄的單個神經(jīng)元數(shù)量增加了幾個數(shù)量級，同時記錄的數(shù)千個通道和每柄10-90毫米的記錄長度。這種具有全腦空間覆蓋的高通量記錄有許多應用，例如同時監(jiān)測不同大腦區(qū)域的輸入和輸出，以及評估整個大腦的行為和活動之間的關(guān)系。Neuroscroll探頭的模塊化結(jié)構(gòu)和用于外部連接的高度可擴展的高密度FCB使其易于與更先進的小型化電子設備兼容，且物理占地面積小。這將允許同時使用多個Neuroscroll探針繪制整個NHP大腦的數(shù)千個通道的神經(jīng)活動。這些特點為神經(jīng)卷軸探針在基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學研究中的廣泛應用提供了巨大的潛力。 參考消息： https://www.nature.com/articles/s41593-024-01692-6

審核編輯 黃宇