引言
繪製哺乳動物大腦圖譜並精確了解其各種功能，是神經科學領域長期追求的目標。為了實現這一目標，神經科學家們不斷尋求更高解析度的成像技術和其他先進的實驗工具。近年來，高密度矽探針應運而生，這種針狀裝置整合了數千個電極，可以插入大腦組織中，捕捉與神經元放電相關的電壓變化。
背景：矽探針技術的發展與挑戰
矽探針技術已成功應用於監測和研究囓齒動物大腦中的神經元活動。然而，在研究與人類大腦更為相似的非人靈長類動物（NHP），例如獼猴的大腦時，效果卻不盡理想。現有的神經探針在非人靈長類動物中的應用面臨諸多限制，包括記錄通道數量有限、記錄範圍受限，難以實現整個大腦深度的高通量神經活動記錄。
新型Neuropixels 1.0 NHP探針的誕生
為了克服上述挑戰，IMEC（微電子研究中心）與多個研究團隊合作，成功開發出一種新型高密度矽探針——Neuropixels 1.0 NHP。該探針專為大型動物大腦設計，旨在實現大規模的急性記錄。
技術規格
高通道數：
該探針具有4,416個記錄位點，分佈在長達45毫米的探針柄上。
可程式化選擇：
實驗人員可以程式化地選擇384個記錄通道，從而可以使用單個或多個探針同時進行多區域記錄，從數千個神經元中獲取資料。
成本效益：
與現有技術相比，Neuropixels 1.0 NHP探針更具成本效益，總系統成本在7,000至15,000美元之間。
工程挑戰與解決方案
IMEC的Barun Dutta表示，該團隊成功克服了與矽探針製造相關的重大工程挑戰，這些挑戰包括：
光刻拼接：
通過拼接等方法，製造出超過標準光刻掩模尺寸的矽探針。* 機械強度與靈活性：
通過應力補償層等設計，確保探針具有足夠的機械強度和靈活性，以適應長時間的記錄。
技術優勢
Neuropixels 1.0 NHP探針具有以下顯著優勢：
大規模記錄：
能夠以前所未有的規模進行同步全腦記錄。
單神經元和單峰解析度：
實現對大腦區域進行詳細的電生理學繪圖，達到單神經元和單峰解析度。
測量神經元間的峰-峰相關性：
能夠測量細胞間的峰-峰相關性，從而繪製皮質層內和區域間的假定連接。
簡化資料收集：
大大降低了每個神經元的記錄成本，並簡化了神經資料的收集。
實驗驗證與應用
研究團隊通過一系列實驗驗證了Neuropixels 1.0 NHP探針的性能和應用潛力。
實驗一：面部識別
加州大學柏克萊分校的研究團隊使用該探針記錄了非人靈長類動物大腦中通常難以進入的區域（即深部下顳葉皮層面部斑塊）的活動。在猴子觀看面部圖像的過程中，他們能夠檢測到數百個似乎有助於面部識別的神經元，而這在以前需要數年時間才能完成。
實驗二：決策制定
哥倫比亞大學的研究團隊展示了該探針在研究決策的單次試驗相關性方面的效用，展示了LIP和上丘（SC）神經元群體如何追蹤累積的證據，並表現出只有通過高產量的單次試驗分析才能觀察到的獨特動態。
實驗三：視網膜拓撲組織
史丹佛大學的研究團隊對多個紋外視覺皮層區域的視網膜拓撲組織進行了大規模調查，同時記錄了數千個神經元，並展示了感受野在皮質深度上的有序變化。
實驗四：運動行為
哥倫比亞大學的研究團隊在淺層和深層結構（例如，初級運動皮層、前運動皮層、內側蒼白球、輔助運動區）的運動行為過程中收集了穩定的、大規模的記錄，展示了對多樣化時間模式的捕獲，以及通過更多神經元實現的改進的力預測。
北京大學段曉傑團隊的Neuroscroll探針
除了Neuropixels 1.0 NHP探針外，北京大學未來技術學院生物醫學工程系和國家生物醫學成像中心的段曉傑教授領導的研究團隊在《自然·神經科學》上發表了一項開創性研究，介紹了一種高密度、1024通道的Neuroscroll探針。
Neuroscroll探針的特點
高通道數：
該探針具有1024個密集排列的通道，可以靈活地分佈在探針柄上。
靈活的記錄位點分佈：
記錄位點可以聚集或均勻分佈，以滿足跨多個大腦區域的多樣化記錄需求。
可定制的長度：
探針的長度可以在1釐米到10釐米之間定制，以適應從囓齒動物到靈長類動物的大腦尺寸。
高密度柔性冷鍵合（FCB）方法：
該團隊開發了一種高密度柔性冷鍵合（FCB）方法，實現了神經探針與柔性延長板、印刷電路板（PCB）和基於CMOS的高密度微電極陣列晶片等元件之間的可靠電氣連接。
實驗結果
全腦深度記錄：
該團隊使用Neuroscroll探針實現了對恆河猴大腦整個深度的神經記錄。
清醒狀態下的視覺反應：
在一個注視-掃視任務中，長度為90毫米的Neuroscroll探針成功檢測到來自清醒恆河猴的視覺反應神經元。
長期穩定性：
研究人員將探針植入大鼠的前額葉皮層，實現了長達兩年的穩定神經記錄。在此期間，峰值排序的單神經元計數、總放電率、單元平均振幅、檢測到單元通道的數量以及信噪比保持穩定，證明了探針具有出色的生物相容性和長期記錄穩定性。
結論與研判
新型Neuropixels 1.0 NHP探針和Neuroscroll探針的出現，代表了神經科學領域的重大突破。這些高密度矽探針技術克服了傳統探針的局限性，實現了對非人靈長類動物大腦的大規模單神經元記錄。
對神經科學研究的影響
加速大腦圖譜繪製：
這些探針能夠以前所未有的速度和規模記錄神經元活動，有助於加速繪製更精確的大腦圖譜，並深入了解大腦的各種功能。
揭示複雜認知過程的機制：
通過同時記錄多個大腦區域的神經元活動，研究人員可以更好地理解複雜認知過程（例如決策制定、面部識別和運動控制）的機制。
推動神經疾病的診斷和治療：
這些技術有望應用於神經疾病的診斷和治療，例如通過精確定位和調控異常的神經元活動，開發更有效的治療方法。
未來展望
隨著技術的不斷發展，未來的神經探針將會更加微型化、智能化和多功能化。例如，結合光遺傳學技術的Neuropixels Opto探針，可以同時進行高解析度的電生理記錄和光遺傳學調控。此外，通過改進材料和製造工藝，可以開發出更柔性、更耐用的探針，實現更長時間的慢性記錄。
總之，新型高密度矽探針技術為神經科學研究開闢了新的途徑，有望在理解大腦功能、診斷和治療神經疾病等方面取得更大的突破。
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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: October 31, 2025