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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