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哈佛大学的研究人员制造了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片,该芯片上内含 4,096个微孔电极阵列,使他们能够记录多个神经细胞间的电活动。据《自然》杂志报道,这使研究团队能够绘制出2,000个大鼠神经元,并映射出它们之间的7万多个连接,该芯片能够测量每个连接之间的信号强度,并表征通过它们传输的信号类型。

左图:顶部装有微孔电极阵列的封装硅芯片。右图:一个神经元细胞位于微孔电极阵列上(在实际记录中,神经元的分布要密集得多)

这是神经科学研究领域的一项巨大进步,科学家可以准确绘制出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这些突触连接,但无法测量和记录通过它们的信号。另一种技术——膜片钳电极(patch-clamp)——虽然能允许研究人员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几个细胞,限制了其在研究大量神经元时的有效性。

新的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,从而理解它们的活动如何产生复杂的思维过程,如思考和学习。研究人员表示,每个微孔就像一个膜片钳电极;因此,通过在一个芯片内添加4,000多个这样的阵列,他们能够有效地监测数千个神经元。

研究人员 Jun Wang 表示:“与2020年开发的旧技术(即团队研究的基础)中的垂直纳米针电极相比,微孔电极不仅与神经元内部的耦合效果更好,而且它们也更容易制造。这种可及性是我们工作的另一个重要特征。”

研究团队使用4,096个微孔成功监测了超过3,600个大鼠神经元,成功率接近90%。基于此,团队记录了超过7万个连接,这是他们之前300个记录的200多倍。尽管取得了这些进展,但要绘制拥有平均860亿个神经元的人类大脑,还有很长的路要走。假设每个神经元平均有35个连接,那么我们的大脑至少有301亿个突触连接。

即使只有2,000个神经细胞,这也已经是海量的信息了。“在我们成功实现大规模并行细胞内记录后,最大的挑战之一就是如何分析这海量的数据,”研究人员Donhee Ham说。“从那以后,我们在从这些数据中洞察突触连接方面取得了很大进展。我们现在正致力于设计一种可以在活体大脑中部署的新型号。”

如果团队能够成功做到这一点,并绘制出活体大脑中每个神经连接的工作方式,那么这将可以用于多项技术进步。例如,它可以应用于人工智能训练,甚至用于构建更高效的人工智能芯片,使我们在不需要吉瓦电力的情况下获得巨大的计算能力。它还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激发(或错误激发),并观察这对大脑感知的影响。

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