使用 Neuropixels 数字探针创建神经活动的“图像”

作者：Carolina Mora Lopez，神经接口电路研发团队负责人，imec

运动、触觉和思维过程的神经特征隐藏在大型神经群体的活动中。每个动作和过程都是由来自不同区域的不同细胞之间复杂的相互作用协调的——深层和表面。测量神经活动以及神经特征的最常用技术是电信号和光信号。

神经电生理探针用于绘制复杂的大脑活动图，但在空间分辨率、时间分辨率和大小方面面临挑战。

典型的细胞外探针以高时间分辨率记录单个神经元活动，精度为亚毫秒级，但只能达到几十个神经元。另一方面，钙成像覆盖了更多的大脑区域，但没有达到相同的亚毫秒分辨率记录，因为它是神经活动的间接测量。

探测神经群体的理想工具将亚毫秒时间分辨率与成像的空间分辨率相结合，同时保持较小的占用空间。较小的占地面积对于要避免脑损伤的可植入部分和外部部分都至关重要，因为广泛的布线会阻碍在自由移动的动物中进行记录。

Neuropixels 探针由imec设计和开发，该探针是纳米电子学和数字技术的研究和创新中心1 ，通过提供高密度集成数字硅 CMOS 神经探针在 70 × 24-µm 柄上封装 960 个记录位点来满足这些需求，用最少的布线。

图 1：Neuropixels 芯片架构具有带电极和开关的柄以及带有独立可编程增益放大器的底座，AP 和 LFP 频段用于 384 个通道。

探针设计的主要挑战之一是在尽可能小的横截面积上放置尽可能多的电极。如此大而密集的电极阵列为神经科学家提供了一种工具，可以在跨大脑区域询问大量神经群，同时对脑组织造成最小的损害。

Neuropixels 探头的窄 (70 µm) 和薄 (24 µm) 可植入柄以两排棋盘图案平铺有 960 个电极。电极尺寸为 144 µm 2 ，间距为 20 µm，探头柄长为 10 mm。单柄上的站点数比现有的单柄硅探针大一个数量级。

图 2：探针柄包含 960 个电极，其中 384 个可以单独和同时寻址。

密集的电极阵列使科学家能够区分和隔离来自紧密间隔的神经元的信号，并检测由于脑组织变化引起的“漂移”。这些小尺寸是通过定制的 130 纳米 CMOS 制造工艺实现的。电极由与 CMOS 工艺步骤兼容的多孔低阻抗 TiN 材料制成。使用高通量硅制造工艺可确保以低成本和大批量制造 Neuropixels 探针。

图 3：探针制造的细节。(a) 后 CMOS 处理后的单个神经探针装置。(b) 探头颈部和底座的细节。(c) 柄尖和电极排列的细节。(d) TiN 电极和通孔网格的细节。(e) 晶圆上的切片探针。

可以同时记录的电极数量的基本限制是可以放置在柄上的导线数量。对于 Neuropixels，最多 384 条互连线在电极和基座中的放大器之间布线。这意味着可以同时寻址从记录点总数中选择的 384 个电极。本地开关矩阵为用户提供了选择首选站点的灵活性，以便可以记录选择的大脑区域。选择电极后，下方的存储位被启用或禁用。

小腿与 9 × 5-mm 底座在同一硅基板上制造，产生了一个轻量级 (250 mg) 探头，适用于长期监测移动动物的神经活动。基区的最大部分分配给 384 个记录通道。这些通道允许在两个电生理相关频带中记录神经信号：局部场电位 (LFP) (0.5 Hz –1 kHz) 和动作电位 (AP) (0.3–10 kHz)。

由于 AP 通常具有几 µV 的幅度，而 LFP 可以达到几 mV，因此必须提供低噪声放大和高动态范围以准确记录两个频带中的神经信号。因此，在 Neuropixels 基础中，连续数据流被分成两个单独放大的波段。

此外，用户可以选择每个记录通道的增益，以确保不同信号幅度的最佳放大，例如在不同的大脑区域中所见。包含低阻抗记录站点的系统在 AP 频带中实现了约 5 µVrms 的噪声水平，在 LFP 频带中实现了约 20 µVrms 的噪声水平，这比生物源噪声小。

所有通道的模拟输出在基座上进行多路复用和数字化，随后通过探头柔性电缆传输到接口板或探头。因为来自神经元的电压信号在探针基座本身上被过滤、放大、多路复用和数字化，而不是使用外部设备——所谓的有源数字设计——当信号离开探针时不会发生信号丢失。同时，带有所有电子设备的系统消耗的功率非常低（<30 mW），可防止大脑过热。

图 4：封装的 Neuropixels 系统将带有柔性 PCB 的探头连接到头部平台。然后，数据流通过超薄、轻便的电缆传输到与主机通信的 PXIe 采集模块。

高通道数和小横截面积的组合允许同时记录不同大脑区域的数百个神经元，从而最大限度地减少组织损伤。Neuropixels 探针将大脑中的神经活动显示为图像，来自每个记录位点的数据表示为“像素”。

集成电路确保了探头的小物理足迹，这是研究清醒动物行为所必需的。它强调了可扩展半导体技术和高性能电极技术在研究行为动物全脑神经活动的工具方面的潜力。

注[1] Neuropixels 项目得到了 HHMI、艾伦脑科学研究所、威康基金会和盖茨比基金会的资助。探针是在 imec 与 HHMI Janelia 研究园区、艾伦脑科学研究所和伦敦大学学院合作设计、开发和制造的。

审核编辑 黄昊宇