哈佛大學(xué)的一支科研團(tuán)隊(duì)近日宣布了一項(xiàng)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重大突破，他們成功研發(fā)出一種內(nèi)置4096個(gè)微孔電極陣列的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片。這一創(chuàng)新技術(shù)能夠同時(shí)記錄多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的電活動，為科學(xué)家探索大腦內(nèi)部神經(jīng)連接的奧秘提供了前所未有的工具。
據(jù)《自然》雜志報(bào)道，該團(tuán)隊(duì)利用這一芯片成功繪制了2000個(gè)大鼠神經(jīng)元的圖譜，并揭示了超過7萬個(gè)神經(jīng)元之間的復(fù)雜連接。這一成果不僅展示了芯片在測量每個(gè)連接信號強(qiáng)度方面的能力，還令人驚嘆地識別了信號的類型，為理解大腦如何處理信息提供了關(guān)鍵線索。
在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域，這一技術(shù)突破被視為一個(gè)里程碑。傳統(tǒng)的電子顯微鏡雖然能夠觀察到突觸連接的形態(tài)，但無法測量和記錄信號的傳輸過程。而膜片鉗電極雖然能夠精確記錄微弱的神經(jīng)信號，但其應(yīng)用范圍受限于只能測量少量細(xì)胞。相比之下，新型CMOS芯片則能夠同時(shí)監(jiān)測數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的活動，大大拓展了研究的廣度和深度。
研究人員表示，每個(gè)微孔電極都相當(dāng)于一個(gè)膜片鉗電極，通過在單個(gè)芯片上集成超過4000個(gè)這樣的陣列，他們實(shí)現(xiàn)了對數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的同步監(jiān)測。這一技術(shù)的易用性和高效性，使得研究人員能夠深入研究大量神經(jīng)元之間的相互作用，進(jìn)而理解這些活動如何構(gòu)成復(fù)雜的思維過程，如思考和學(xué)習(xí)。
與2020年開發(fā)的垂直納米針電極技術(shù)相比，微孔電極不僅與神經(jīng)元內(nèi)部的耦合效果更佳，而且制造過程更加簡便。研究團(tuán)隊(duì)成員王軍表示，這種易用性是研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注的另一個(gè)重要方面，它使得更多研究人員能夠利用這一技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)研究。
研究團(tuán)隊(duì)利用這一芯片成功監(jiān)測了超過3600個(gè)大鼠神經(jīng)元，成功率接近90%。在此基礎(chǔ)上，他們記錄了超過7萬個(gè)神經(jīng)元之間的連接，這一數(shù)字是此前記錄的200多倍。這一成果不僅展示了芯片在記錄神經(jīng)元連接方面的強(qiáng)大能力，還為后續(xù)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。
然而，盡管取得了這一顯著進(jìn)展，但繪制完整人腦圖譜的任務(wù)仍然任重道遠(yuǎn)。人類大腦擁有約860億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元平均有35個(gè)連接，這意味著大腦中至少有30.1億個(gè)突觸連接。面對如此龐大的數(shù)據(jù)量，如何進(jìn)行有效的分析和處理成為了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊(duì)成員韓東赫表示，在成功實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行細(xì)胞內(nèi)記錄后，他們正在致力于開發(fā)一種可用于活體大腦的新設(shè)計(jì)，以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。同時(shí)，他們已經(jīng)從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中獲得了關(guān)于突觸連接的深刻見解，為未來的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
如果研究團(tuán)隊(duì)能夠在活體大腦中成功實(shí)現(xiàn)神經(jīng)連接的映射，這一技術(shù)將為多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步提供可能。例如，它可用于人工智能訓(xùn)練，提高AI芯片的效率和計(jì)算能力，從而在不消耗大量電力的情況下實(shí)現(xiàn)巨大的計(jì)算性能。這一技術(shù)還可應(yīng)用于心理健康研究，幫助科學(xué)家更好地理解突觸連接的活動（或異常活動）如何影響大腦的感知和認(rèn)知功能。
