6月25日，新華社以《突破性成果！祝賀我國(guó)科學(xué)家》為標(biāo)題，報(bào)道了由我國(guó)科學(xué)家研發(fā)的傳感器成果。

我國(guó)科學(xué)家研發(fā)高通道神經(jīng)探針實(shí)現(xiàn)獼猴全腦尺度神經(jīng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)

神經(jīng)探針是一種用來記錄神經(jīng)活動(dòng)的針狀電傳感器，是腦科學(xué)研究和腦機(jī)接口中的核心技術(shù)。北京大學(xué)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(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)獼猴大腦全深度、高通量神經(jīng)元活動(dòng)的記錄。其單根探針上集成了1024個(gè)可同時(shí)記錄的神經(jīng)信號(hào)通道，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果24日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·神經(jīng)科學(xué)》。

在整腦范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多腦區(qū)、長(zhǎng)時(shí)間、高通量、高時(shí)空分辨神經(jīng)活動(dòng)的記錄，對(duì)理解大腦的神經(jīng)機(jī)制、調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)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(dòng)物腦研究，即便用于靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦研究，也難以覆蓋其整腦尺度。

北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院段小潔研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(zhǎng)度可在1厘米到1分米范圍內(nèi)靈活設(shè)計(jì)，從而匹配從嚙齒類到靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦尺寸。

制備高通道神經(jīng)探針的一個(gè)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(xué)連接可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的精準(zhǔn)采集與傳輸。為此，研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了高密度柔性冷焊技術(shù)，實(shí)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(zhǎng)的“神經(jīng)卷軸”探針實(shí)物。（受訪者提供）

段小潔介紹，團(tuán)隊(duì)利用“神經(jīng)卷軸”探針，在獼猴大腦中實(shí)現(xiàn)了從腦表面皮層至顱底全深度覆蓋的超700個(gè)單神經(jīng)元活動(dòng)的同時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，還在大鼠大腦中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)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(zhǎng)期記錄穩(wěn)定性。

中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任程和平表示，這一突破性成果為多腦區(qū)活動(dòng)的高通量同步監(jiān)測(cè)、探究神經(jīng)活動(dòng)與行為學(xué)間的關(guān)系提供有力工具，未來通過多根探針的植入，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從數(shù)千到上萬個(gè)通道的神經(jīng)記錄，將對(duì)基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)和腦機(jī)接口等轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)研究帶來變革性影響。

以下為北京大學(xué)段小潔團(tuán)隊(duì)該論文介紹。

iNature

在靈長(zhǎng)類動(dòng)物大腦中進(jìn)行單細(xì)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(xué)段小潔團(tuán)隊(duì)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(shí)從1,024個(gè)密集間隔的通道中分離單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)，這些通道靈活地分布在探針的柄上。 Neuroscroll探針的長(zhǎng)度可以很容易地調(diào)整為10毫米到90毫米的單個(gè)探針，覆蓋非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人類的大腦大小，并且探針在反復(fù)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(zhǎng)達(dá)105周。每個(gè)神經(jīng)卷軸探針的記錄同時(shí)從分布在整個(gè)恒河猴大腦深處的多個(gè)大腦區(qū)域產(chǎn)生了數(shù)百個(gè)隔離良好的單個(gè)單元。憑借數(shù)千個(gè)同時(shí)記錄的通道，前所未有的探針長(zhǎng)度，出色的機(jī)械穩(wěn)定性和靈活的記錄位點(diǎn)分布，Neuroscroll探針在系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)研究中具有廣泛的多功能性，可以提供廣泛的新實(shí)驗(yàn)范例。

在神經(jīng)元尺度和高時(shí)間分辨率上記錄靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦活動(dòng)是研究大腦在感覺、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知任務(wù)中的運(yùn)作的重要基礎(chǔ)。非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物(NHPs)的神經(jīng)記錄技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但它們?cè)谕掏铝亢涂臻g覆蓋方面仍然存在局限性。雖然表面陣列可以同時(shí)記錄多達(dá)256個(gè)通道，但它們僅限于在表層皮層預(yù)先指定的深度進(jìn)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(gè)大腦。然而，它們被限制在64個(gè)通道數(shù)，并且具有更大的直徑(例如360 μm)，導(dǎo)致組織損傷增加，信號(hào)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(dòng)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(zhǎng)的長(zhǎng)度，可達(dá)45毫米，為NHPs的深部腦結(jié)構(gòu)提供了可達(dá)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(dòng)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(dòng)物大腦的整個(gè)深度同時(shí)記錄，但這種能力在NHP中并不完全實(shí)現(xiàn)。

NHP的腦容量大得多，因此需要同時(shí)記錄更多的通道，以便全面記錄整個(gè)NHP大腦的神經(jīng)元活動(dòng)。增加的45mm的探針長(zhǎng)度與NHP腦的大小更好地對(duì)齊，與之前的10mm長(zhǎng)度相比，這是一個(gè)顯著的進(jìn)步。然而，考慮到使用頭腔和引導(dǎo)插管進(jìn)入大腦的典型要求，以及這些探針在人腦上的潛在應(yīng)用，更長(zhǎng)的長(zhǎng)度達(dá)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(fēng)險(xiǎn)，并且制造這些探針?biāo)璧奶囟ɑパa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(zhǎng)類動(dòng)物在全腦空間尺度上同時(shí)記錄多個(gè)大腦區(qū)域的大量神經(jīng)元的神經(jīng)元活動(dòng)成為可能，這是理解大腦功能基礎(chǔ)活動(dòng)的全局協(xié)調(diào)的重要一步。探針長(zhǎng)度和記錄位點(diǎn)沿探針柄的空間分布的靈活性以及不需要復(fù)雜的制造技術(shù)的簡(jiǎn)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(yīng)用。

Neuroscroll探針（圖源自Nature Neuroscience）

該研究表明，在嚙齒類動(dòng)物和NHPs的全腦空間范圍內(nèi)，Neuroscroll探針可以同時(shí)記錄的單個(gè)神經(jīng)元數(shù)量增加了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)記錄的數(shù)千個(gè)通道和每柄10-90毫米的記錄長(zhǎng)度。這種具有全腦空間覆蓋的高通量記錄有許多應(yīng)用，例如同時(shí)監(jiān)測(cè)不同大腦區(qū)域的輸入和輸出，以及評(píng)估整個(gè)大腦的行為和活動(dòng)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(kuò)展的高密度FCB使其易于與更先進(jìn)的小型化電子設(shè)備兼容，且物理占地面積小。這將允許同時(shí)使用多個(gè)Neuroscroll探針繪制整個(gè)NHP大腦的數(shù)千個(gè)通道的神經(jīng)活動(dòng)。這些特點(diǎn)為神經(jīng)卷軸探針在基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)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