你腦袋里有一個(gè)——860億個(gè)交換機(jī)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)！

重量為2斤半，耗電量?jī)H為20W，相當(dāng)于一個(gè)電燈泡的耗能。

但是，它卻創(chuàng)造了生物電子學(xué)的無(wú)限奇跡！

腦研究的核心是應(yīng)用傳感器技術(shù)。

無(wú)論是我們熟悉的頭皮電極、核磁共振成像，還是新開(kāi)創(chuàng)的植入芯片等方法，都在試圖探索這個(gè)神秘的器官。

最近，比利時(shí)納米數(shù)字研究機(jī)構(gòu)Imec開(kāi)創(chuàng)了Neuropixels探測(cè)器，即建立一種新的探針，以神經(jīng)元水平觀察活體大腦。

光是第一代Neuropixels探測(cè)器，就已向全球交付約650個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用。與此同時(shí)，Imec還創(chuàng)建了OpenScope共享大腦天文臺(tái)，向世界各地大腦研究者提供開(kāi)源數(shù)據(jù)。

這是一個(gè)全球共享的神經(jīng)科學(xué)研究設(shè)施，相當(dāng)于歐洲核子研究中心用于共享高能物理研究的粒子加速器。

神經(jīng)像素，這是一種觀察大腦活動(dòng)的全新技術(shù)。它的功能類(lèi)似于成像，不過(guò)，它記錄的是電場(chǎng)而不是光場(chǎng)。

合作始于2010年，工程師Barun Dutta（巴倫·杜塔）與神經(jīng)科學(xué)家Timothy D. Harris（蒂莫西·哈里斯）之間的對(duì)話(huà)。

杜塔任職于Imec，他使用了最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備；哈里斯工作于HHMI（霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院），他是資深的神經(jīng)科學(xué)家。

杜塔將他的半導(dǎo)體知識(shí)帶到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域

「我們需要在一個(gè)自由活動(dòng)的動(dòng)物體內(nèi)，對(duì)其局部神經(jīng)回路，記錄每個(gè)神經(jīng)元的尖峰?！构锼拐f(shuō)。

由杜塔和哈里斯領(lǐng)銜，組建了一支多學(xué)科交叉背景的研究團(tuán)隊(duì)，包括工程師、神經(jīng)科學(xué)家、軟件設(shè)計(jì)師等人員。

科學(xué)家們展開(kāi)探索，如何利用先進(jìn)的微電子學(xué)發(fā)明一種新的傳感器，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)任何一小部分腦組織中、成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元之間的電流對(duì)話(huà)。

科學(xué)家發(fā)明的這個(gè)系統(tǒng)被命名為Neuropixels，「把我們想象成神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的英特爾」杜塔說(shuō)，「我們提供芯片，然后世界各地的實(shí)驗(yàn)室用它們編寫(xiě)代碼、做實(shí)驗(yàn)」。

要建造一個(gè)數(shù)字探針，時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以到達(dá)大腦器官的任何部分，但又足夠細(xì)小，在進(jìn)入的過(guò)程中不會(huì)破壞脆弱的組織，這并不容易。

事實(shí)上，大腦的彈性和酸奶一樣。

因此，科學(xué)家既要保持筆直地插入，又能在晃動(dòng)的大腦內(nèi)讓它彎曲，從而長(zhǎng)期存在也不至于損壞鄰近腦細(xì)胞。

當(dāng)大腦引導(dǎo)身體完成復(fù)雜的行為時(shí)，探測(cè)器需要足夠持久，才能保持原位并可靠地記錄數(shù)周甚至數(shù)月。

Neuropixels將神經(jīng)科學(xué)推向一個(gè)更高階段，為癲癇和帕金森等腦部疾病提供更好的治療，也為未來(lái)的腦機(jī)接口鋪平了道路。

時(shí)間回到上個(gè)世紀(jì)50年代，研究人員使用了一種原始的電子傳感器，來(lái)識(shí)別帕金森病患的神經(jīng)元失活。

經(jīng)過(guò)了70年的發(fā)展歷程，隨著微電子學(xué)革命，大腦探針的所有部件都已經(jīng)微型化，大腦電子傳感技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

2021年，該系統(tǒng)升級(jí)為2.0版本。相比4年前的初始版本，增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)的傳感器數(shù)量。

現(xiàn)在，3.0版本已經(jīng)處于早期開(kāi)發(fā)階段。

科學(xué)家相信，神經(jīng)像素將按照摩爾定律指數(shù)式增長(zhǎng)。

而這，還僅僅是一個(gè)開(kāi)始。

研究大腦的生物學(xué)專(zhuān)家建議實(shí)驗(yàn)人員用金或鉑做電極，然后用有機(jī)金屬聚合物做柄部。

然而，這些材料都不能和先進(jìn)的CMOS制造工藝相兼容。于是，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了一些研究，并做了大量的工程設(shè)計(jì)。最終，Silke Musa發(fā)明了一種氮化鈦，這是一種極其堅(jiān)固的電陶瓷，它可以兼容CMOS和動(dòng)物的大腦。

同時(shí)，該材料也是多孔的，這給了它低阻抗。低阻抗對(duì)獲得電流和清除信號(hào)非常有幫助，而無(wú)需加熱附近的細(xì)胞，從而產(chǎn)生噪音，破壞數(shù)據(jù)。

多虧了大量的材料科學(xué)研究和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一些相關(guān)技術(shù)，研究人員現(xiàn)在能夠控制硅桿和氮化鈦電極沉積和蝕刻過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

如此一來(lái)，盡管硅桿只有23微米(微米)厚，但它們能一直保持幾乎完美的直線(xiàn)。

而每個(gè)探針由四個(gè)平行的柄組成，每個(gè)柄上又鑲有1,280個(gè)電極。在1厘米的長(zhǎng)度之內(nèi)，探針的長(zhǎng)度足以達(dá)到老鼠大腦中任何一個(gè)位置。

在2021年發(fā)表的小鼠研究表明，Neuropice2.0設(shè)備可以在嚙齒動(dòng)物正常生活的同時(shí)，連續(xù)六個(gè)月從相同的神經(jīng)元收集數(shù)據(jù)。

與CMOS相兼容的柄部和腦組織之間的彈性差異巨大，如此一來(lái)，就引發(fā)出了一個(gè)問(wèn)題，那就是：當(dāng)探針在大腦中不可避免地隨著大腦的移動(dòng)而移動(dòng)時(shí)，應(yīng)該如何跟蹤單個(gè)神經(jīng)元。

我們都知道，神經(jīng)元的大小為20至100微米，而每個(gè)電極的直徑為15微米，小到足以記錄單個(gè)神經(jīng)元的孤立活動(dòng)。

（第一個(gè)Neuropion裝置。柄上有966個(gè)電極。）

參考資料：