非人灵长类全脑高密度神经记录技术Neuropixels 1.0 NHP的开发与应用突破

时间：2025年6月24日

来源：Nature Neuroscience

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本研究针对非人灵长类(NHPs)大规模神经记录的技术瓶颈，开发了45mm长、4416记录位点的Neuropixels 1.0 NHP探针。通过跨视标拼接(stitching)和应力补偿层等创新技术，实现了跨脑区单神经元分辨率记录，在视觉皮层拓扑图谱绘制、运动系统多区域同步记录、颞叶面孔识别和顶叶决策神经机制研究中取得突破性成果，为认知神经科学研究提供了变革性工具。

神经科学研究长期面临非人灵长类全脑尺度高精度记录的难题。传统技术如犹他阵列(Utah array)仅支持256通道浅表记录，而线性阵列技术受限于64通道，深部脑区采样效率低下。更棘手的是，现有探针10mm长度无法触及灵长类深部核团，24μm薄片设计难以穿透硬脑膜。这些限制严重阻碍了感觉-运动整合、决策等高级认知神经机制的解析。

为解决这些挑战，哥伦比亚大学等机构联合开发了Neuropixels 1.0 NHP探针系统。这项发表于《Nature Neuroscience》的研究通过四项关键技术突破实现了范式革新：1）采用跨视标拼接工艺将CMOS芯片尺寸扩展至54mm；2）设计125μm宽、90μm厚的强化探针穿透硬脑膜；3）开发应力补偿层控制45mm长探针弯曲度；4）实现4416记录位点中384通道可编程选择。这些创新使单探针即可覆盖猕猴全脑深度，在视觉皮层成功记录3029个神经元，运动皮层实现673神经元同步记录，创造了NHPs电生理记录的新纪元。

关键技术方法包括：1）基于130nm绝缘体上硅(SOI)工艺的CMOS探针制造；2）四视标曝光拼接实现54mm长探针；3）机械研磨25°斜面探针尖端；4）Kilosort 2.5/3.0算法进行尖峰排序；5）多探针并行插入系统实现7探针同步记录；6）功能磁共振成像(fMRI)引导深部脑区靶向。

技术突破

探针核心突破在于将记录长度扩展至45mm，较啮齿类版本提升450%。通过加宽金属线(降低电阻)和增大线距(减少串扰)，解决了长距离信号衰减难题。扫描电镜(SEM)显示，跨视标拼接区域金属线宽度虽减少24-54%，但仍保持电路连续性。

视觉系统研究

在颞上沟(STS)区域，单次记录即获得202个具有明确感受野(RF)的神经元。深度6-10mm记录显示，感受野沿探针呈梯度变化，在1mm间隔出现跳跃式转换，对应V4向MT/MST区的过渡。五组记录位点(-19mm)同步采样更发现3029个神经元中2729个具有视觉响应，首次实现多视觉区无缝映射。

运动系统研究

在等长力追踪任务中，360个运动皮层(M1)神经元表现出与行为相位相关的多样化放电模式。线性回归显示，神经元数量与力预测精度呈持续正相关，未出现饱和现象，证实需要大规模采样才能完整解析群体编码。通过192通道分配策略，单探针同时记录M1和基底节(GPi)活动，而三探针系统更实现运动前区(PMd)、M1和GPi的联合记录。

面孔识别研究

颞下回(IT)面孔区因位置深在(>40mm)长期难以研究。双探针同步记录中面部区(ML)和前额叶(AF)获得1127个单元，其中261个ML神经元和297个AF神经元具有面孔选择性(P<0.05)。对96种刺激的反应图谱显示，该技术将传统需2年采集的数据压缩至单次2小时实验完成。

决策神经机制

在随机点运动(RDM)决策任务中，侧顶内沟(LIP)17个神经元与上丘(SC)15个神经元显示重叠感受野。单试次分析首次揭示：LIP神经元活动符合漂移扩散模型(drift diffusion)，而SC神经元表现为爆发式放电，证实两者在决策过程中扮演不同角色。

突触连接分析

通过抖动校正互相关图(CCG)分析发现，运动皮层神经元对中0.73%存在显著峰电位时序关联。功能连接神经元对的感受野重叠度(r_sig=0.60)显著高于非连接对(P<10^-4)，且CCG峰值与r_sig正相关，为皮层微环路研究提供新证据。

这项研究通过材料学、电子学和机械设计的协同创新，将非人灵长类神经记录推向千神经元时代。其意义不仅在于技术参数突破，更在于：1）实现深部脑区与浅表皮层的全脑关联研究；2）支持单试次认知过程解析；3）将单位神经元记录成本降低一个数量级。尽管在慢性植入和微刺激功能方面存在局限，但该技术已为理解脑区间信息交互、群体编码原理等根本问题提供了不可替代的工具。正如作者强调，这种可扩展的技术路线将为最终实现全脑记录奠定基础。