近日，哈佛大学的研究人员成功构建了一个互补金属氧化物半导体 （CMOS） 芯片，该芯片装有 4,096 个微孔电极阵列，使他们能够用于映射 2,000 个大鼠神经元之间的 70,000 个突触连接。通过该芯片可以测量每个大鼠神经元连接之间的信号，并描述通过它们发送的信号类型。目前相关论坛已经发表在了《自然》杂志官网上。

△左图：顶部有微孔电极阵列的封装硅芯片。右图：位于微孔电极阵列上的神经元细胞（在实际记录中，神经元的密度要高得多）。（图片来源：哈佛大学约翰 A. 保尔森工程与应用科学学院）

据介绍，这一项研究是神经元研究领域的巨大进步，科学家可以准确地绘制大脑内神经连接的每一个细节。目前，电子显微镜可以可视化观察这些突触连接，但无法测量和记录穿过它们的信号。还有另一种技术——膜片钳电极——使研究人员能够准确记录即使是最微弱的神经信号。然而，这种技术只能测量少数细胞，限制了它在研究大量神经元方面的有效性。

哈佛大学研究团队最新研发的 CMOS 芯片使研究人员能够研究相对大量的神经元如何相互作用，使他们能够了解他们的活动如何导致复杂的心理过程，如思考和学习。研究人员说，每个微孔都像一个膜片钳电极。因此，通过在单个芯片中添加 4,000 多个这样的阵列，他们能够有效地监测数千个神经元。

“微孔电极不仅比垂直纳米针电极更好地耦合到神经元内部，”研究员 Jun Wang 说，他指的是该团队在 2020 年开发的旧技术，“而且它们也更容易制造。这种可访问性是我们工作的另一个重要特点。

该团队能够使用 4,096 个铂/铂-黑微孔电极阵列成功监测 3,600 多个大鼠神经元——成功率接近 90%。由此，该团队最终通过2000多个神经元记录了超过 70,000 个连接，比之前记录的 300 个连接多 200 倍。通过将它们分类为电突触连接和抑制性、弱/无事件的兴奋性和强/事件性的兴奋性化学突触连接，估计总体错误率约为 5%。尽管取得了所有这些进步，但它们距离绘制平均有 860 亿个神经元的人脑图谱还有很长的路要走。假设每个神经元平均有 35 个连接，这意味着我们的大脑至少有 3,010,000,000 个突触连接。

即使只有 2,000 个神经细胞，这已经是一个巨大的信息量。“在我们成功进行大规模平行细胞内记录后，最大的挑战之一是如何分析大量数据，”研究人员 Donhee Ham 说。“从那以后，我们在从它们那里深入了解突触连接方面取得了长足的进步。我们现在正在努力开发一种可以部署在活体大脑中的更新设计。

如果该团队成功地做到这一点并绘制了每个神经连接在活体大脑中的工作原理，那么它可以用于多项技术进步。例如，它可以应用于 AI 训练，甚至用于构建更高效的 AI 芯片，使我们能够在不需要千兆瓦电力的情况下获得巨大的计算能力。它也可以用于心理健康研究，因为科学家可以了解突触连接如何触发（或失触发），并了解它如何影响大脑的感知。

编辑：芯智讯-浪客剑