新华社：突破性成果！祝贺我国科学家成功研发这一传感器！

6月25日，新华社以《突破性成果！祝贺我国科学家》为标题，报道了由我国科学家研发的传感器成果。

我国科学家研发高通道神经探针实现猕猴全脑尺度神经活动监测

神经探针是一种用来记录神经活动的针状电传感器，是脑科学研究和脑机接口中的核心技术。北京大学研究人员通过技术创新成功研发一种高密度、高通道的神经探针，在国际上首次实现对猕猴大脑全深度、高通量神经元活动的记录。其单根探针上集成了1024个可同时记录的神经信号通道，达到国际领先水平。该成果24日在线发表于国际学术期刊《自然·神经科学》。

在整脑范围内实现多脑区、长时间、高通量、高时空分辨神经活动的记录，对理解大脑的神经机制、调控神经活动具有重要意义。已有的高通道神经探针主要适用于鼠等啮齿类动物脑研究，即便用于灵长类动物脑研究，也难以覆盖其整脑尺度。

北京大学未来技术学院段小洁研究员团队设计并制备了一种超薄柔性微电极阵列薄膜，通过如“卷轴”般特殊的绕卷组装工艺，制造出名为“神经卷轴”的神经探针。该探针长度可在1厘米到1分米范围内灵活设计，从而匹配从啮齿类到灵长类动物的大脑尺寸。

制备高通道神经探针的一个主要瓶颈是神经探针和后端电子器件之间的连接。良好的电学连接可实现神经信号的精准采集与传输。为此，研究团队还研发了高密度柔性冷焊技术，实现了“神经卷轴”探针与后端电子器件的集成化、高密度连接。

图为9厘米长的“神经卷轴”探针实物。（受访者提供）

段小洁介绍，团队利用“神经卷轴”探针，在猕猴大脑中实现了从脑表面皮层至颅底全深度覆盖的超700个单神经元活动的同时监测。此外，还在大鼠大脑中实现了长达两年的稳定神经记录，展现出该探针优异的生物相容性和长期记录稳定性。

中国科学院院士、北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平表示，这一突破性成果为多脑区活动的高通量同步监测、探究神经活动与行为学间的关系提供有力工具，未来通过多根探针的植入，可进一步实现从数千到上万个通道的神经记录，将对基础神经科学和脑机接口等转化神经科学研究带来变革性影响。

以下为北京大学段小洁团队该论文介绍。

iNature

在灵长类动物大脑中进行单细胞分辨率的大规模神经种群记录仍然具有挑战性。 2024年6月24日，北京大学段小洁团队在Nature Neuroscience（IF=21）在线发表题为“A high-density 1,024-channel probe forbrain-wide recordings in non-humanprimates”的研究论文，该研究介绍了Neuroscroll探针，它可以同时从1,024个密集间隔的通道中分离单个神经元活动，这些通道灵活地分布在探针的柄上。 Neuroscroll探针的长度可以很容易地调整为10毫米到90毫米的单个探针，覆盖非人类灵长类动物和人类的大脑大小，并且探针在反复弯曲变形后保持完整和功能。Neuroscroll探针提供了可靠的记录，从大鼠的大神经群具有高的慢性稳定性长达105周。每个神经卷轴探针的记录同时从分布在整个恒河猴大脑深处的多个大脑区域产生了数百个隔离良好的单个单元。凭借数千个同时记录的通道，前所未有的探针长度，出色的机械稳定性和灵活的记录位点分布，Neuroscroll探针在系统神经科学研究中具有广泛的多功能性，可以提供广泛的新实验范例。

在神经元尺度和高时间分辨率上记录灵长类动物的大脑活动是研究大脑在感觉、运动和认知任务中的运作的重要基础。非人灵长类动物(NHPs)的神经记录技术已经取得了相当大的进步，但它们在吞吐量和空间覆盖方面仍然存在局限性。虽然表面阵列可以同时记录多达256个通道，但它们仅限于在表层皮层预先指定的深度进行记录。相比之下，线性阵列(V型探针或S型探针)可以访问整个大脑。然而，它们被限制在64个通道数，并且具有更大的直径(例如360 μm)，导致组织损伤增加，信号质量降低。神经像素探针是一种高密度的硅电极，在记录啮齿类动物大脑中的大量神经元方面取得了巨大的成功。最近开发的Neuropixels探针具有更厚的柄和更长的长度，可达45毫米，为NHPs的深部脑结构提供了可达性。然而，384的通道数虽然大大高于传统探针，但考虑到与啮齿动物大脑相比，NHP大脑的空间尺度要大得多，这仍然是有限的。尽管Neuropixels探针的384通道配置允许从高密度的啮齿动物大脑的整个深度同时记录，但这种能力在NHP中并不完全实现。

NHP的脑容量大得多，因此需要同时记录更多的通道，以便全面记录整个NHP大脑的神经元活动。增加的45mm的探针长度与NHP脑的大小更好地对齐，与之前的10mm长度相比，这是一个显著的进步。然而，考虑到使用头腔和引导插管进入大脑的典型要求，以及这些探针在人脑上的潜在应用，更长的长度达到约1分米将是非常理想的。此外，硅探针的易碎性带来了植入和记录失败的高风险，并且制造这些探针所需的特定互补金属氧化物半导体(CMOS)技术限制了它们的可用性。开发具有更高通道数和类似于NHP和人脑大小的高密度神经探针，将使灵长类动物在全脑空间尺度上同时记录多个大脑区域的大量神经元的神经元活动成为可能，这是理解大脑功能基础活动的全局协调的重要一步。探针长度和记录位点沿探针柄的空间分布的灵活性以及不需要复杂的制造技术的简单制备过程提供了极大的便利性和多功能性，这保证了这些探针的广泛应用。

Neuroscroll探针（图源自Nature Neuroscience）

该研究表明，在啮齿类动物和NHPs的全脑空间范围内，Neuroscroll探针可以同时记录的单个神经元数量增加了几个数量级，同时记录的数千个通道和每柄10-90毫米的记录长度。这种具有全脑空间覆盖的高通量记录有许多应用，例如同时监测不同大脑区域的输入和输出，以及评估整个大脑的行为和活动之间的关系。Neuroscroll探头的模块化结构和用于外部连接的高度可扩展的高密度FCB使其易于与更先进的小型化电子设备兼容，且物理占地面积小。这将允许同时使用多个Neuroscroll探针绘制整个NHP大脑的数千个通道的神经活动。这些特点为神经卷轴探针在基础和转化神经科学研究中的广泛应用提供了巨大的潜力。 参考消息： https://www.nature.com/articles/s41593-024-01692-6

审核编辑 黄宇