為實(shí)現(xiàn)更精確的大腦功能繪圖，神經(jīng)科學(xué)家長期依賴高分辨率成像及先進(jìn)實(shí)驗(yàn)工具。其中，高密度硅探針（high-density silicon probes）是一種可插入腦組織的針狀電極陣列，用于捕捉與神經(jīng)元放電相關(guān)的電壓變化。然而，這類探針多用于嚙齒動(dòng)物，對(duì)非人靈長類（Non-Human Primates, NHPs）如獼猴的應(yīng)用效果有限。

近日，哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心與哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Neuroscience發(fā)表論文，展示了由IMEC研發(fā)的新一代Neuropixels 1.0 NHP探針，成功在獼猴等NHP中實(shí)現(xiàn)全腦范圍、高分辨率的神經(jīng)記錄。

解決NHP神經(jīng)記錄技術(shù)瓶頸

論文第一作者Eric M. Trautmann表示，原版Neuropixels 1.0在嚙齒動(dòng)物研究中具有革命性意義，但因其探針長度僅10毫米、厚度僅24微米，難以穿透靈長類堅(jiān)韌的硬腦膜（primate dura mater），且只能到達(dá)淺表腦區(qū)。現(xiàn)有的其他陣列要么通道數(shù)有限，要么只能固定在表層皮層。

Neuropixels 1.0 NHP探針則采用54毫米整體硅結(jié)構(gòu)，其中探針柄（shank）長45毫米、寬125微米、厚90微米，并在尖端打磨出25°斜面，便于插入且減少組織損傷。全長分布4,416個(gè)記錄點(diǎn)（pixels），分為11.5組（bank），每組384個(gè)通道，實(shí)驗(yàn)者可選擇任一組進(jìn)行同時(shí)記錄。這一設(shè)計(jì)既增加了可達(dá)深度，也提高了多腦區(qū)同步記錄的能力。

高密度與可擴(kuò)展性優(yōu)勢

新探針延續(xù)了Neuropixels 1.0的低噪聲可編程放大器和10位分辨率讀出通道，采用130納米SOI CMOS工藝。其可編程通道選擇功能，使研究人員無需物理移動(dòng)探針即可在全長范圍內(nèi)掃描神經(jīng)活動(dòng)。

制造上，由于探針尺寸超過常規(guī)光刻掩模（reticle）范圍，IMEC團(tuán)隊(duì)采用了**“stitching”拼接技術(shù)**實(shí)現(xiàn)精確對(duì)齊，并在結(jié)構(gòu)中加入應(yīng)力補(bǔ)償層以防彎曲。此外，內(nèi)部金屬走線加寬并增加間距，以降低電阻、熱噪聲及串?dāng)_。

多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證潛力

研究團(tuán)隊(duì)在四類獼猴實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了探針性能：

1. 視覺皮層視網(wǎng)膜定位映射——實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)皮層區(qū)、數(shù)千神經(jīng)元的同時(shí)記錄。

2. 運(yùn)動(dòng)行為任務(wù)——在運(yùn)動(dòng)皮層、前運(yùn)動(dòng)皮層、蒼白球內(nèi)側(cè)核等淺層與深層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定記錄，提高了運(yùn)動(dòng)力量預(yù)測精度。

3. 深部面孔識(shí)別區(qū)記錄——在深層顳下皮層面孔區(qū)，單次實(shí)驗(yàn)檢測到數(shù)百個(gè)參與面孔識(shí)別的神經(jīng)元，以往需數(shù)年才能完成。

4. 決策行為神經(jīng)動(dòng)力學(xué)——在LIP和上丘（SC）區(qū)域的高密度單次試驗(yàn)記錄揭示了累積證據(jù)信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。

此外，高密度布局還使研究人員能夠測量神經(jīng)元對(duì)之間的spike-spike相關(guān)性，推測突觸連接關(guān)系。

成本與未來發(fā)展

相比現(xiàn)有NHP神經(jīng)記錄系統(tǒng)，Neuropixels 1.0 NHP探針更具成本效益，整套系統(tǒng)價(jià)格約7,000–15,000美元，可顯著降低大規(guī)模神經(jīng)元記錄的經(jīng)濟(jì)門檻。

Trautmann表示，團(tuán)隊(duì)下一步將探索半慢性植入（semi-chronic implantation）的可行性，以及集成交叉皮層微刺激（ICMS）的版本，以支持更多類型的神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

該研究突破了大尺寸硅探針制造的多項(xiàng)工程難題，為在大型動(dòng)物大腦中開展單神經(jīng)元、單動(dòng)作電位分辨率的全腦同步記錄提供了可能。這一技術(shù)的推廣或?qū)@著推動(dòng)感知、運(yùn)動(dòng)及認(rèn)知過程的神經(jīng)機(jī)制研究，并開啟以往被視為不可行的實(shí)驗(yàn)范式。

參考文獻(xiàn)：Eric M. Trautmann et al, Large-scale high-density brain-wide neural recording in nonhuman primates,?Nature Neuroscience?(2025).?DOI: 10.1038/s41593-025-01976-5

編輯：王洪

排版：李麗