Nature子刊：北京大学段小洁团队开发新型探针，可实现非人灵长类动物整脑尺度神经活动监测

在非人灵长类动物中实现高时空分辨率、全脑范围的神经活动记录对于理解大脑感觉、运动和认知功能的神经机制、调控神经活动具有重要意义。然而现有的神经记录技术依然存在着信号采集通量低、时空覆盖范围有限的不足。

表面电极阵列（如Utah电极和浮动微丝电极）难以探测到深部脑区活动；线性电极阵列（V-probe和U-probe）通道数量有限且具有较大的直径，会导致较大的组织损伤并降低信号质量；目前已有较为广泛应用的Neuropixels探针，其可同时读出信号通道数量和探针长度在面向具有更大空间尺度的非人灵长类动物和人的脑组织时，依然存在着局限性，同时硅基探针质硬易断裂，在手术植入及神经记录等方面会带来较高的失败风险。

2024年6月24日，北京大学段小洁团队（博士后刘杨、博士生贾荟琳和特聘副研究员孙洪吉为共同第一作者）在Nature Neuroscience期刊发表了题为：A high-density 1,024-channel probe for brain-wide recordings in non-human primates 的研究论文。

该研究开发了一种高密度、1024通道神经探针，可实现非人灵长类动物整脑尺度神经活动监测。

理解大脑多功能区的协调工作方式需要在单神经元尺度上同时监测大量神经元，然而现有的神经记录技术依然存在着信号采集通量低、时空覆盖范围有限的不足。

该研究开发了一种高密度、高通量神经探针，单根探针上集成了1024个可同时记录通道，其长度横跨10 mm到90 mm，记录位点分布于探针表面，可覆盖非人灵长类动物和人的整脑尺度，在神经探针反复弯曲后依然保持完整性和功能性。此神经探针在大鼠上可实现长达105周的稳定记录，在猕猴多个脑区可同时分离出上百个单神经元，这种具有高机械稳定性、超长探针长度的神经探针在系统神经科学研究领域将有着广泛应用。

在这项研究中，研究团队成功开发出一种高密度、高通量的“神经卷轴”（Neuroscroll）探针，通过设计并制备一种二维超薄、柔性微电极阵列薄膜，并发展一种绕卷组装工艺，形成了具有卷轴结构的一维神经探针，记录位点可灵活分布于神经探针表面，可满足具有不同尺寸的多脑区神经活动记录需求。

神经探针和后端电路之间的高通量电学连接是将神经探针拓展到数千通道的另一个主要瓶颈，作者发展了一种高密度柔性互连技术，使得神经探针可以与柔性转接板、印刷电路板、CMOS基高密度微电极阵列芯片等进行良好电学连接，实现信号的传输与采集，这种模块化结构设计使得神经探针可以兼容多种后端电子器件，从而为构建更集成化、小型化的神经信号采集系统提供新的策略。

图1：“神经卷轴（Neuroscroll）”探针的设计与制备

研究团队将神经探针植入大鼠前额叶皮层，实现了长达105周的稳定神经记录，在此期间，所检测到的单神经元数目、放电频率、幅值和信噪比没有明显衰减，展现了神经探针的高生物相容性和长期记录稳定性。

图2：“神经卷轴（Neuroscroll）”探针在大鼠前额叶皮层实现长期稳定记录

研究团队针对猕猴不同脑区尺寸开发了多种长度和位点分布的神经探针，可覆盖从皮层至接近颅底的多个脑区，实现了在非人灵长类动物中整脑尺度、高时空分辨率的神经记录。麻醉态下的神经记录展现了动作电位发放与局部场电位相位的耦合特征，此外，神经探针在白质区域分离出了具有明显波形特征（三相峰电位和正相峰电位波形）的单神经元，展现出了高信噪比和幅值。

图3：神经卷轴（Neuroscroll）”探针实现猕猴整脑神经活动记录

研究团队将具有9 cm针长的“神经卷轴“探针植入清醒猕猴大脑，在猕猴执行扫视任务时，神经探针成功探测视觉响应神经元，其中包括对人脸具有选择性响应的神经元。

图4：神经卷轴（Neuroscroll）”探针在猕猴执行扫视任务中进行神经记录

这种高通量、可覆盖整脑范围的“神经卷轴”探针可为多脑区神经活动的同步监测、探究神经活动与行为学间的关系提供有力工具。依赖于“神经卷轴”探针的高灵活性的结构设计和高度可扩展性的柔性互连方式，神经探针可以兼容更先进、更小型化的电子器件，未来可在非人灵长类动物中植入多根“神经卷轴”探针以实现上千通道、三维脑空间的全覆盖，将在基础和转化神经科学研究方面有广阔应用前景。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41593-024-01692-6