《npj Biomedical Innovations》：High-channel-count neural recording and stimulation platform with 5376 simultaneous recording channels
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推进神经接口需要大规模、高密度记录技术，能够捕获皮层和皮层下区域的全频谱神经活动。在此，研究人员提出了一种可扩展的方法，将神经电极与先进的专用集成电路（ASIC）集成。具体而言，研究人员定制设计了一款具有5376个同步通道的ASIC，每个通道以20 kS/s采
推进神经接口需要大规模、高密度记录技术，能够捕获皮层和皮层下区域的全频谱神经活动。在此，研究人员提出了一种可扩展的方法，将神经电极与先进的专用集成电路（ASIC）集成。具体而言，研究人员定制设计了一款具有5376个同步通道的ASIC，每个通道以20 kS/s采样，并实现>1.3 Gb/s的总数据流吞吐量。该ASIC包含像素内放大、时分复用ADC和片上刺激能力，确保以最小功耗实现精确信号采集，同时保持5.5 μVrms的低噪声水平。研究人员进一步开发了一种使用金凸点键合的互连策略，允许柔性探针和刚性芯片的高密度集成。研究人员通过将平台与柔性微皮层电图（μECoG）阵列集成，展示了其能力。所得器件能够在大鼠大脑皮层表面进行高分辨率体内场电位映射，并支持诱发感觉活动的精确定位。这些结果证明了一种构建高度集成神经接口的有效方法，可应用于脑机接口、神经假体和大规模功能脑映射。
### 论文解读文章
#### 研究背景与问题
神经工程领域对大规模、高密度记录技术的需求日益增长，旨在捕获皮层和皮层下区域的全频谱神经活动，以揭示感觉运动处理、决策制定和记忆形成等神经回路机制，并提升脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）的编码精度。然而，现有技术面临关键瓶颈：传统后端电子设备（如基于Intan芯片的系统）虽可达1000通道以上，但存在功耗高、权重分布差、散热难等问题，不适用于慢性自由移动实验。新兴的专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit, ASIC）方案（如Neuropixels）虽提供高密度电极，但受到硬件约束需切换电极组，无法实现全部通道的同步记录；而SiNAPS平台虽支持1024通道同步记录，但采用刚性硅探针，长期生物相容性存疑。此外，Bioelectronic Interface System to the Cortex（BISC）系统虽集成65,536个电极，但采样率受限，无法满足动作电位（Action Potential, AP）记录需求。因此，研究人员需要开发一种可扩展的神经接口平台，以同时满足高通道数、低噪声、紧凑体积、低功耗和高集成度等相互竞争的设计约束。
#### 研究内容与结论
本研究提出并验证了一种可扩展的神经记录与刺激平台，通过协同优化ASIC设计、柔性电极阵列制造和封装技术，实现了5376个通道的同步记录。该平台的核心是一款定制设计的ASIC，包含5376个同时工作的记录像素，每个像素配备低噪声放大器（Low-Noise Amplifier, LNA）和可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier, PGA），每四个像素共享一个12位ΣΔ模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC），有效采样率达20 kSa/s，总数据吞吐量超过1.3 Gb/s。ASIC还集成了224个可寻址刺激通道（最多32个同时激活）、阻抗测量和电极电镀功能。为实现高密度集成，研究人员开发了一种双金凸点键合互连策略，将柔性微皮层电图（μECoG）探针与ASIC进行1:1节距匹配键合，产率超过90%。该平台通过与大鼠（大鼠模型）体内实验结合，展示了其能力：将柔性μECoG阵列置于大鼠大脑皮层表面，覆盖感觉运动皮层和视觉皮层，通过机械刺激（触须、前肢、后肢、躯干）诱发神经活动，成功绘制了高分辨率躯体定位图（Somatotopy），分辨出亚毫米级空间结构的激活模式。研究结论表明，该平台为高度集成神经接口提供了一种有效方法，可应用于脑机接口、神经假体和大规模功能脑映射。该论文发表在《npj Biomedical Innovations》。
#### 主要关键技术方法
1. **定制ASIC设计**：采用DB HiTek 110 nm CMOS工艺制造，包含5376个像素阵列，每个像素集成AC耦合LNA和PGA，通过4:1时分复用器连接至外部ΣΔ ADC，实现20 kSa/s采样率，并支持可编程电流刺激。
2. **柔性μECoG探针制造**：采用聚酰亚胺基板和多层金属互连（四层，最小线宽2 μm，线距2.5 μm），分别设计大鼠版（电极直径25 μm，间距120 μm，覆盖7.6 mm×10 mm）和人类版（电极直径60 μm，间距360 μm，覆盖22.9 mm×30.5 mm），电极材料为溅射氧化铱（IrOx）。
3. **双金凸点键合集成**：先在ASIC像素铝焊盘上沉积第一层金凸点（直径约70 μm），再将带有空心焊盘（外径约85 μm，内径约60 μm）的柔性探针对准，然后沉积第二层金凸点，实现第一层与第二层凸点的融合连接，形成垂直电学与机械互连。
4. **体内电生理记录与数据分析**：在大鼠（大鼠模型）中进行全脑开颅手术，将μECoG阵列置于皮层表面，使用机械刺激器（1 Hz单脉冲）对各体感部位进行刺激，记录20-50次试验，经过1-250 Hz带通滤波和60 Hz陷波滤波后，计算均方根（Root Mean Square, RMS）振幅，生成空间热图。
#### 研究结果
**系统概述**：通过垂直堆叠PCB设计（ASIC板、路由板、FPGA板）和双金凸点键合，实现紧凑型头戴式封装（3 cm×3.3 cm×1.2 cm），通过微HDMI线缆连接至外部控制单元，实现高速数据流传输。
**ASIC架构与电学基准**：ASIC的5376个通道展现出优异的通道间均匀性，中频带增益均值为158.2 V/V（标准差3.2 V/V），输入参考噪声均值为5.3 μVrms（标准差0.99 μVrms），在2 Hz-10 kHz带宽内集成噪声为5.5 μVrms。可编程刺激电流范围为200 nA至70 μA，步长200 nA，支持双相脉冲刺激，快速恢复电路使放大器在刺激后1.5 ms内恢复灵敏度。每通道平均功耗42 μW，功率密度0.75 mW/mm2，低于美国医疗器械促进协会（AAMI）推荐的安全温升阈值。
**高密度ECoG探针设计与电化学表征**：柔性探针包含四层金属互连，大鼠版探针电极阻抗在1 kHz处约为100 kΩ，循环伏安法（CV）显示可逆氧化还原行为，电压瞬态测量确认电极在3-18 μA刺激电流下的稳定行为，适用于低噪声神经记录。
**可扩展双凸点键合与集成性能**：第一层金凸点（Al/Au界面）剪切力为58.2±5.4 g，第二层金凸点（Au/Au界面）剪切力为50.4±7.3 g。键合后，92%的电极在磷酸盐缓冲液（PBS）中阻抗范围为10-100 kΩ，峰值约85 kΩ，系统级噪声为6.06 μVrms（满带宽）。
**使用5376通道μECoG阵列的体内皮层映射**：在大鼠体内实验中，机械刺激激发局部场电位（Local Field Potential, LFP）响应。均方根（RMS）振幅图显示，触须刺激在桶状皮层（Barrel Cortex）引发高度聚焦的激活（峰值在20-25 ms），前肢、后肢和躯干刺激分别激活空间上分离的躯体感觉区域，空间分辨率达120 μm，峰值-峰值幅度高达70 μV。叠加图证实了非重叠的躯体定位图（Somatotopy）。
#### 讨论与结论
**讨论**：本研究展示了迄今为止最高通道数的全集成、头戴式μECoG平台，支持5376通道同步记录和片上刺激，具备紧凑外形和竞争性电学性能。该平台通过避免记录位点处的多路复用，优先保证了低振幅体内信号的保真度。高密度皮层映射成功揭示了啮齿动物躯体感觉区的精确空间分离，验证了电极密度和均匀性在现代神经科学工具中的重要性。该平台的模块化设计允许与穿透式探针、化学传感器和光电器件等其他探针类型集成。当前体内验证的局限性包括：表面μECoG阵列仅能记录群体水平LFP，无法记录单单位活动；体内电刺激尚未实现，需进一步工程优化。未来方向包括集成无线数据传输、实时压缩和机载机器学习，以进一步减小系统体积和数据处理量。
**结论**：这些结果证明了一种有效的方法，用于高度集成的神经接口，可应用于脑机接口、神经假体和大规模功能脑映射。
