哈佛研发新型CMOS芯片可精准记录大脑神经活动

时间：2025-02-22 10:20

小编：小世评选

近日，哈佛大学的研究团队在神经科学领域取得了突破性的进展，他们成功开发出一种全新的互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片。这一创新技术内置了4096个微孔电极阵列，能够精准而有效地记录多个神经细胞的电活动。根据《自然》杂志的报道，这一芯片的问世，标志着科学家在探索人脑神经活动方面迈出了重要的一步。

在传统神经科学研究中，电子显微镜可以提供关于大脑突触连接的可视化图像，但它无法测量神经信号的具体传递情况。同时，膜片钳电极技术虽然能够高精度记录神经信号，但由于其限制，通常只能监测少量细胞，这点使得它在大规模神经元研究中应用受到了极大的限制。而哈佛这款新型CMOS芯片的出现，恰恰填补了这一空白。

新型CMOS芯片的设计理念令人瞩目。其每一个微孔电极可以视作一个独立的膜片钳电极，研究人员通过在单个芯片上集成超过4000个这样的微孔阵列，成功实现了对数千个神经元的并行监测。这样的规模化记录能力让科研人员可以更全面地分析神经元之间的信号传递，从而更深入地理解脑部功能与连接网络。

王军（Jun Wang）教授作为研究团队的一员，指出相较于2020年开发的垂直纳米针电极技术，微孔电极的设计不单能够有效耦合神经元内部，还在生产过程中大大简化了技术门槛。王教授强调，这种易用性的提升是其研究中的一大亮点。他们通过4096个微孔成功监测了超过3600个大鼠的神经元，成功记录率接近90%。更重要的是，他们还记录了超过70000个连接，这一数字是以往技术的200多倍，为大规模神经网络的研究开辟了新的可能性。

尽管这项研究已经在多个方面取得了显著进展，但科学家们仍面临挑战：人类大脑中平均拥有约860亿个神经元，每个神经元连接的突触数量大约为35个。由此推算，整个大脑中可能存在300.1亿个突触连接。因此，如何有效分析和处理这些庞大的数据，将是科学家们后续研究的一大难题。韩东赫（Donhee Ham）指出，尽管在解析大规模细胞内记录数据方面取得了一定进展，并获得了对突触连接的深刻见解，但未来的研究将需要更多的创新与设计，以适应活体大脑的复杂环境。

这项技术的潜在应用前景令人振奋。如果研究团队能够成功在活体大脑中实现神经连接的映射，将会为多个领域带来技术革命。比如，这项技术可用于人工智能领域，帮助改善AI算法的效率，甚至为更高效的AI芯片开发提供数据支持。这不仅有可能降低能耗，同时也能大幅提升计算能力。

这种技术在心理健康研究中同样展现出极大的应用潜力。通过了解突触连接的活动或异常活动如何影响大脑的感知，科学家们能找到更有效的治疗方案，用于应对诸如抑郁症、焦虑症等精神疾病。这对于改善人类的心理健康状况、提升生活质量将产生深远的影响。

而言，哈佛大学团队的最新研究不仅推动了神经科学的前沿探索，也为人工智能及心理健康的未来发展奠定了基础。随着技术的不断进步，我们或将见证一个对大脑及其功能有更深认识的时代的到来。研究人员继续致力于推动这项科技向前发展，期待不久的将来，它能真正应用于活体研究，并为科学界带来更多未知的发现。