北京大学团队：“神经卷轴”探针助力非人灵长类动物全脑尺度记录 | Nature子刊

北大团队在高通道植入式神经电极的研制上取得重大突破，首次实现了对猴脑神经元活动的全深度记录。

近期，北京大学段小洁研究员团队成功研发了一款名为“神经卷轴”（Neuroscroll）的高密度神经探针，实现了该领域的重大突破。Neuroscroll探针集成了1024个高密度通道，能够覆盖非人灵长类动物（NHPs）和人类的全脑尺寸。这款探针无需依赖复杂的金属氧化物半导体互补技术（CMOS），而是采用超薄、柔韧的塑料薄膜，通过标准的光刻、金属沉积和干蚀工艺卷制微电极阵列（MEA）制成，分辨率达到微米级。Neuroscroll探针具有高通量、长期记录稳定、全脑尺度覆盖、高生物兼容性等优势，将为基础研究和转化神经科学研究开启新的实验范式。该研究成果于2024年6月24日发表在《Nature Neuroscience》杂志上。

研究成果

Neuroscroll探针的设计和制作

Neuroscroll探针采用模块化设计。其杆部分是通过在超薄、柔韧的塑料膜上卷绕平面MEA（微电极阵列）制备而成，形成一个圆柱形探针，1024个记录位点暴露在圆柱表面（图1a）。记录位点线性排列，形成一个或多个紧密排列的柱，与放大器的连接位于顶部（图1c）。由于猴子和人类的平均脑深分别约为45mm和93mm，因此使用长度为50mm和90mm的Neuroscroll探针，可以实现对灵长类动物大脑中大量神经元活动和动态的全面记录（图1d）。

Fig1.a: MEA卷绕成Neuroscroll探针的过程以及通过柔性延长线将探针连接到外部电子设备的FCB过程的示意图，记录位点以蓝色方块表示。输入输出I/O垫采用网状结构设计。b: Neuroscroll探针连接到外部放大电子设备的示意图。c: MEA的分层结构示意图。d: Neuroscroll探针在灵长类动物中进行大脑范围记录的示意图。e: Neuroscroll探针上1024个记录位点灵活设计的示例。f: 长度为90mm、50mm和10mm的探针。g: 90mm、50mm和10mm探针前端的扫描电子显微镜（SEM）图像。h: 使用柔性冷焊接（FCB）技术将50mm探针连接到柔性延长板的示意图及SEM图像。i: Neuroscroll探针上的网状I/O垫、延长板I/O垫顶部和侧面视图。j: 90mm探针连接到柔性延长板的示意图，延长板另一端粘接到PCB上。k: 在PBS中测得的Neuroscroll探针上1024通道在1kHz时的阻抗幅度空间分布图。l: 在PBS中测量的四个1024通道Neuroscroll探针的1kHz阻抗幅值直方图。m: Neuroscroll探针粘接到CMOS-MEA芯片上的实物照片及应用模拟动作电位脉冲到粘接的Neuroscroll探针上的CMOS-MEA采集系统记录的波形。

此外，记录位点的尺寸、位置、密度和分布以及探针长度可以通过修改MEA设计来灵活调整，以适应不同探针的需求。例如，1024个位点可以分布在杆长度的高密度簇中，以针对特定的大脑区域，或者沿整个杆长度均匀分布（图1e）。这种灵活性允许Neuroscroll探针适应对大脑中特定生物系统进行研究的定制需求。研究人员开发了柔性冷焊接（FCB）技术，将Neuroscroll探针连接到外部放大电子设备（图1h, i）。

Neuroscroll探针的制备仅涉及标准的微制造工艺，具有微米分辨率，可以很容易地实现。这确保了探针的可用性和广泛的应用。

Neuroscroll探针在大鼠中的记录质量和长期稳定性

为了研究Neuroscroll探针的数据记录质量及记录稳定性，研究人员将10mm长度的Neuroscroll探针植入6只大鼠的额内侧前额叶皮质（mPFC），记录期间大鼠自由移动。使用Kilosort软件分离128/1024个通道的单个神经元。结果显示，Neuroscroll探针能分辨出高质量的局部场电位（LFP）信号和神经簇，包括可能代表单个神经元活动的单一单元和代表一小群相邻神经元活动的多单元（图2c）。信噪比及放电率指标优异（图2d）。

重要的是，在105周内，大振幅、分离良好的单个神经元放电活动得以维持，没有信号衰减或噪声增加的迹象（图2e-h）。此外，补充结果发现Neuroscroll探针与大脑形成了无毒、不可降解的高生物相容性界面；对脱落的Neuroscroll探针研究发现，脱落的Neuroscroll探针保持完整，呈紧密卷曲状，没有任何部位出现腐蚀迹象，这表明了探针出色的材料生物兼容性和结构稳定性。

Fig2.a: 大鼠额内侧前额叶皮质（mPFC）的示意图。Neuroscroll探针长度为10mm，从1024个记录位点（黑色矩形）中导出128个通道（橙色矩形）。b: 植入Neuroscroll探针的大鼠大脑解剖图，T2 MRI成像。c: 大鼠mPFC中Neuroscroll探头每十个通道的AP（动作电位）波段、LFP（局部场电位）波段以及单个神经元放电光栅（spike raster）示例。d: 5只大鼠的神经元信号质量分析，包含7个指标：神经元簇量及单个神经元量、有效放电神经元数量比例、放电振幅、信噪比、放电频率、单个通道神经元密度、神经元扩散量。e: 植入后第41周和第105周的6号大鼠的AP波段。f: 6号大鼠电极植入后，不同时间点的通道70-85中分离的单个单元的代表性均值波形。g: 105周内6号大鼠所有分类单细胞的振幅。h: 105周内6号大鼠所有分类单细胞的信噪比。i: 6号大鼠所有通道的细胞放电率。j: 大鼠长期记录性能指标，每个点代表一个大鼠，用颜色标识。

恒河猴全脑电生理记录

为了研究Neuroscroll探针在非人灵长类动物脑区的记录能力，研究人员在一只恒河猴的大脑中植入了3个1024通道的Neuroscroll探针。记录点分布在两个列，长度分别为47.0mm、37.5mm和54.0mm的探针上（图3a-c）。使用Brainsight神经导航系统，Neuroscroll探针被直接插入到猴子大脑的最深部位（图3a、b）。术后的磁共振成像（MRI）显示，1024个20×20μm²的活性记录部位均匀分布在猴脑全深度的脑区（图3c,d）。

结果表明，探针1同时记录到了放电活动良好、独立分离的858个神经单元（neural units），这些神经单元覆盖了全脑范围，除了没有神经簇的白质区域（图3d-g）。每个通道解析的神经单元数量沿探针呈现非均匀分布，即使在相同的大脑区域也是如此（图3d）。单个神经元的检测效率因结构而异（图3h）。探针2和探针3被植入另一半球，分别横跨猴脑整个深度的5个和7个脑区（图3a, 4a）。

Fig3. a: T1加权MRI图像展示了3个1024通道的Neuroscroll探针在恒河猴大脑中的插入轨迹。b: Neuroscroll探针植入猴子大脑的实际图片。c: 探针1上1024个记录通道的分布情况。d: 左图为探针1在恒河猴大脑中的位置，记录通道贯穿整个脑深度；右图为各通道的神经单元隔离密度分布情况。e:探针1的1到962通道中分离出的假设单个神经元的spike栅格图（spike raster）。f: e中通道代表性的AP波段轨迹，这些通道位于4个大脑结构中。g: e中神经单元的放电波形示例。h: 探针1上所有分类的单个单元在恒河猴不同大脑结构中的效率、密度和扩散情况，通过箱线图展示，并叠加原始数据点。i: 单个神经元信号质量的量化，通过带有原始数据点叠加的箱线图表示。

白质信号、spike场关系和神经元对的相关活动

同时，研究人员发现，在恒河猴的脑白质区域，Neuroscroll探针记录到了大量神经单元活动（single-unit activities, SUAs）。这些白质区域中的SUAs密度和幅度明显高于其它脑结构采样到的SUAs，并且它们的波形形状也非常独特（图4a-f）。大多数神经单元显示出正向spike波形，即负谷小于正峰的波形，或者三相spike波形（图4c-e），而其它脑区的波形则是典型的以负波谷为特征的波形。此外，结果还显示某些脑区神经元放电存在短程耦合现象（图4i）。

未来，通过在非人灵长类动物的脑中植入多个Neuroscroll探针，可以实现大规模并行记录，达到数千个通道的规模。这将使得在高度时间分辨率下，能够对非人灵长类动物大脑中的功能关联结构进行大规模绘制成为可能。

Fig4.a: 探针2在恒河猴大脑中的位置示意图。b:探针2的通道537-576在8B和Cd之间白质中记录到的典型AP波形。c: 探针2通道511-586在8B和Cd之间白质中分离出的代表性神经单元均值波形，每个波形的垂直和水平位置分别表示相应神经元的相对深度（从上到下）和振幅（从左到右）。d: 神经元位置（x轴）与振幅（y轴）的散点图，通过核密度估计（KDE）沿x和y轴显示不同类型波形的空间分布和振幅分布情况。e: 顶图为波形示例，标注了三个主要偏转（首峰、波谷和峰值）。底图为spike波形分类的流程图。f: 探针2在不同大脑结构中解析的所有单个神经单元的效率、密度和分布情况的箱形图。g: 上图为探针1通道897-937记录的AP波段轨迹，下图为所有分类的单个神经单元的spike raster和spike计数直方图。h: 在f通道内记录的神经单元放电时的慢波和delta振荡相位的直方图。i: 使用三个探针记录的独立神经单元之间的成对相关性。

此外，研究人员使用90mm Neuroscroll探针记录清醒的恒河猴在固定-扫视任务下的神经活动（5a）。在每个试次中，几何图形、植物和人类面孔三种视觉刺激随机呈现（5b）。他们的研究结果显示，记录到的神经元表现出明显的视觉反应，特别是一些神经元对人类面孔的反应显著强于其他非面部刺激物体（5d,e）。这凸显了Neuroscroll探针在记录神经活动时的可靠性和广泛适用性。值得一提的是，即使在完成记录并从猴脑中移除后，Neuroscroll探针仍能保持其完整性和功能性，因此可以进行多次重复使用。

Fig5.a: 90mm、1024通道的Neuroscroll探针的记录设置示意图。b: 固定-扫视任务示意图，RT为反应时间。c: 一些单一神经单元活动（SUAs）的空间足迹示例。记录通道以棋盘状排列，列间中心间距为30μm，列间间距为70μm。每组展示来自八个相邻通道的同时记录信号，显示单个单元的信号传播。d: c中标有虚线框的单元在一个试次任务中不同试验的平均波形，显示了神经单元在不同试次中的稳定性。e: 顶图为c中神经元单试次的spike栅格图（spike raster），底图为视觉反应神经元在试次中的平均放电频率。Kruskal-Wallis ANOVA检验结果表明，该神经元对面部物体的反应强于非面部物体。

结论

Neuroscroll探针通过其高通道和10-90mm的全深度记录长度，实现了对啮齿动物和非灵长类动物大脑空间尺度上单神经元的同步记录，数量级显著增加。这种覆盖全脑空间的高通量记录有很多应用，例如同时监测不同脑区的输入和输出，以及评估整个大脑的行为和活动之间的关系。Neuroscroll探针的模块化结构和用于外部连接的高可扩展性、高密度FCB技术，使其能够轻松连接到更先进的微型电子设备上，并且物理尺寸较小。这为实现同时使用多个Neuroscroll探针绘制整个NHP大脑的神经活动提供了可能。所有这些特点为 Neuroscroll 探针在基础和转化神经科学研究中的广泛应用提供了巨大潜力。

Reference：

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