哈佛大學的一支科研團隊近日宣布了一項神經科學領域的重大突破，他們成功研發出一種內置4096個微孔電極陣列的互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片。這一創新技術能夠同時記錄多個神經細胞的電活動，為科學家探索大腦內部神經連接的奧秘提供了前所未有的工具。
據《自然》雜志報道，該團隊利用這一芯片成功繪制了2000個大鼠神經元的圖譜，并揭示了超過7萬個神經元之間的復雜連接。這一成果不僅展示了芯片在測量每個連接信號強度方面的能力，還令人驚嘆地識別了信號的類型，為理解大腦如何處理信息提供了關鍵線索。
在神經科學研究領域，這一技術突破被視為一個里程碑。傳統的電子顯微鏡雖然能夠觀察到突觸連接的形態，但無法測量和記錄信號的傳輸過程。而膜片鉗電極雖然能夠精確記錄微弱的神經信號，但其應用范圍受限于只能測量少量細胞。相比之下，新型CMOS芯片則能夠同時監測數千個神經元的活動，大大拓展了研究的廣度和深度。
研究人員表示，每個微孔電極都相當于一個膜片鉗電極，通過在單個芯片上集成超過4000個這樣的陣列，他們實現了對數千個神經元的同步監測。這一技術的易用性和高效性，使得研究人員能夠深入研究大量神經元之間的相互作用，進而理解這些活動如何構成復雜的思維過程，如思考和學習。
與2020年開發的垂直納米針電極技術相比，微孔電極不僅與神經元內部的耦合效果更佳，而且制造過程更加簡便。研究團隊成員王軍表示，這種易用性是研究團隊關注的另一個重要方面，它使得更多研究人員能夠利用這一技術進行神經科學研究。
研究團隊利用這一芯片成功監測了超過3600個大鼠神經元，成功率接近90%。在此基礎上，他們記錄了超過7萬個神經元之間的連接，這一數字是此前記錄的200多倍。這一成果不僅展示了芯片在記錄神經元連接方面的強大能力，還為后續研究提供了豐富的數據支持。
然而，盡管取得了這一顯著進展，但繪制完整人腦圖譜的任務仍然任重道遠。人類大腦擁有約860億個神經元，每個神經元平均有35個連接，這意味著大腦中至少有30.1億個突觸連接。面對如此龐大的數據量，如何進行有效的分析和處理成為了一個巨大的挑戰。
研究團隊成員韓東赫表示，在成功實現大規模并行細胞內記錄后，他們正在致力于開發一種可用于活體大腦的新設計，以應對這一挑戰。同時，他們已經從現有數據中獲得了關于突觸連接的深刻見解，為未來的研究奠定了堅實基礎。
如果研究團隊能夠在活體大腦中成功實現神經連接的映射，這一技術將為多項技術進步提供可能。例如，它可用于人工智能訓練，提高AI芯片的效率和計算能力，從而在不消耗大量電力的情況下實現巨大的計算性能。這一技術還可應用于心理健康研究，幫助科學家更好地理解突觸連接的活動（或異常活動）如何影響大腦的感知和認知功能。
