你的脑袋里有一台——860亿个开关的复杂网络！它重2.5公斤，功耗仅为20瓦。相当于一个灯泡的耗电量。然而，它创造了生物电子学的无限奇迹！大脑是电子器官吗？脑研究的核心是传感器技术的应用。无论是熟悉的头皮电极、磁共振成像，还是植入芯片等新开创的方法，都在尝试探索这个神秘的器官。近日，比利时纳米数字研究机构Imec首创了Neuropixels探测器，即建立一种新的探针，在神经元水平上观察活体大脑。仅第一代Neuropixels探测器就已交付给全球约650个实验室。同时，Imec还创建了OpenScopeSharedBrainObservatory，为全球脑研究人员提供开源数据。这是一个全球共享的神经科学研究设施，相当于欧洲核子研究中心的粒子加速器，用于共享高能物理研究。Neuropixels，一种观察大脑活动的新技术。它的功能类似于成像，但是，它记录的是电场而不是光场。合作始于2010年，当时工程师BarunDutta和神经科学家TimothyD.Harris之间进行了一次对话。Dutta在Imec工作，在那里他使用最先进的半导体制造设备；Harris在HHMI（霍华德休斯医学研究所）工作，是高级神经科学家。Dutta将他在半导体方面的知识带到了神经科学领域。“我们需要记录自由活动动物局部神经回路中每个神经元的尖峰信号，”Harris说。在杜塔和哈里斯的带领下，组建了一个多学科研究团队，包括工程师、神经科学家、软件设计师等。科学家们探索了如何使用先进的微电子技术来创建一种新的传感器，该传感器可以同时收听脑组织任何一小部分中数千个神经元之间的电对话。科学家们发明的系统被命名为Neuropixels，“把我们想象成神经科学领域的英特尔，”Dutta说，“我们提供芯片，然后世界各地的实验室用它们编写代码并进行实验。”构建一个足够长以到达大脑类器官的任何部分但又足够小以至于不会在途中损坏脆弱组织的数字探针并不容易。事实上，大脑就像酸奶一样富有弹性。因此，科学家们既要保持它笔直插入，又要在摇晃的大脑中弯曲它，这样它才能长期存在而不损伤相邻的脑细胞。当大脑通过复杂的行为引导身体时，探针需要足够耐用才能留在原地并可靠地记录数周甚至数月。Neuropixels正在将神经科学提升到一个更高的水平，为癫痫和帕金森氏症等脑部疾病提供更好的治疗方法，并为未来的脑机接口铺平道路。早在50年代，研究人员就使用一种原始的电子传感器来识别帕金森病中失活的神经元。经过70年的发展，随着微电子革命，脑探针的所有元器件都小型化，大脑的电子传感技术有了长足的进步。2021年系统升级至2.0版本。与4年前的初始版本相比，传感器数量增加了一个数量级。目前，3.0版正处于早期开发阶段。科学家认为，根据摩尔定律，神经像素将呈指数级增长。而这仅仅是个开始。Neuropice2.0！研究大脑的生物学专家建议实验者使用黄金或铂金作为电极，然后使用有机金属聚合物作为手柄。然而，这些材料都不兼容先进的CMOS制造工艺。所以实验者做了一些研究和大量的工程。最终，SilkeMusa发明了一种氮化钛，这是一种与CMOS和动物大脑兼容的极其坚固的电陶瓷。同时，该材料也是多孔的，因此具有低阻抗。低阻抗对于获得电流和清除信号非常有帮助，而不会加热附近的电池，这会产生噪音并破坏数据。得益于广泛的材料科学研究和微机电系统（MEMS）的一些相关技术，研究人员现在能够控制硅棒和氮化钛电极在沉积和蚀刻过程中产生的内应力。这样，尽管硅棒只有23微米（微米）厚，但它们始终保持几乎完美的笔直。每个探针由四个平行杆组成，每个杆上镶嵌着1,280个电极。长度在1厘米以内，探针足以到达小鼠大脑中的任何位置。2021年发表的小鼠研究表明，Neuropice2.0设备可以在啮齿动物过着正常生活的同时从相同的神经元收集数据六个月。CMOS兼容的茎和脑组织之间弹性的巨大差异提出了一个问题，即当探针不可避免地随着大脑在大脑中移动时应该怎么做？如何跟踪单个神经元。我们都知道神经元的大小为20到100微米，每个电极的直径为15微米，小到足以记录单个神经元的孤立活动。但经过六个月的推挤活动，整个探针可能已经在大脑中移动了500微米。在此期间，任何给定像素都可能看到多个神经元来来去去。（目前最常见的神经记录设备）此外，每个柄上的1,280个电极都可单独寻址，四个平行柄可为研究人员提供有效的2D读数，就像CMOS相机捕获的那样。图像。这种相似性使研究人员意识到神经元相对于像素的位移问题与IS系统非常相似。就像在拍摄时摇动相机一样，大脑某个区域的神经元与其电特性有关。研究人员可以利用现有的相机抖动解决方案来解决探测器头部抖动的问题。通过应用稳定软件，研究人员能够在神经回路随机移动时使用自动校正。2.0版缩小了位于颅骨外部的电路板，控制植入的探头并将数字数据输出到拇指大小。这样，在一块电路板和底座上就可以放置两个探针，每个探针伸出四个小手柄，总共可以记录10240个电极。研究人员对控件进行了编程，以实现高采样率并捕获大量数据。是CMOS成像芯片通常记录能力的500倍。但目前该设备无法捕捉到它接触到的每个神经元的活动。未来计算机技术的进步将进一步缓解子孙后代现有的带宽限制。在短短四年内，研究人员将像素密度提高了近一倍，可同时记录的像素数量增加了一倍，并将总像素数增加了十倍以上，同时减小了外部电子设备的尺寸。不减反增，减半。下一代3.0版本也在开发中，将在2025年左右发布，保持四年一换的节奏。在3.0版本中，研究人员预计像素数将再次跃升，从而能够监测大约50,000到100,000个神经元。与此同时，该团队打算继续增加检测器，并将输出带宽增加三倍或四倍，并将基础带宽增加三倍。（第一个Neuropion设备。手柄上有966个电极。）弗兰肯斯坦打开他的脑袋，创造了一个人脑机器。为了推动科学研究，很多科学怪人都用自己的身体做实验。2014年，美国神经科医生、年近70岁的菲尔·肯尼迪竟然锯掉了自己的头骨，并在大脑中植入了电极。当时，因为找不到实验对象，研究经费也快枯竭，肯尼迪决定把这一招用在自己的脑子上。脑部手术历时11个半小时，但并不顺利。肯尼迪醒来时无法说话。他这样做是为了创建一个语音解码器，让无法说话的患者通过脑机接口再次“发声”。在此之前，菲尔肯尼迪已经在这一领域进行了近30年的研究。他是一位著名的神经科学家，被许多人称为“电子人之父”。他在1990年代开发的侵入式脑机接口，让重度瘫痪的人学会用大脑控制电脑光标打字，让别人“听到”他的声音。关于脑机接口的研究不计其数，其中最令人兴奋和振奋的是Neuarlink的研究。就在2020年8月，马斯克在发布会上宣布了Neuarlink的突破。这一次，这一次，马斯克创造的神奇装置只有硬币大小。它通过手术植入头骨，充满电后可以使用一整天。马斯克提到，脑机接口最本质的就是“布线”问题。在现场，马斯克展示了一只健康的小猪，它已经植入了两个月的Neuralink设备。主要实验是植入芯片后，可以直接看到猪的大脑活动。当示威者抚摸它的鼻子时，猪的神经开始兴奋起来。在该装置连接的1024个电极的作用下，它大脑中的电波信号清晰可见。同样在2021年4月，Neuralink再次取得新进展，猴子可以用意念打乒乓球了。实验中，一只9岁的恒河猴Pager在头部植入了两个N1Link，工作人员用香蕉奶昔引诱它玩游戏。随着脑机接口技术的不断进步，瘫痪患者将有可能用意念比手指更快地操作智能手机。马斯克去年表示，脑机接口今年将用于人类。脑机接口未来可期。参考资料：https://spectrum.ieee.org/brain-implanthttps://36kr.com/p/1722359709697https://www.sohu.com/a/193608196_426424https://www.imec-int。com/enhttps://www.hhmi.org/
