近日，哥伦比亚大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种超薄的CMOS光学设备，用于双向神经接口。这种光学设备可以同时实现光学刺激和记录神经活动。该工作以“A subdural CMOS optical device for bidirectional neural interfacing”为题，发表在《自然电子学》上。
这款被称为SCOPe的设备采用了一种定制的CMOS应用专用集成电路（ASIC），其厚度不到200微米，可以完全置于灵长类动物的大脑硬脑膜下空间。该设备结合了荧光成像和光遗传学刺激功能，并在小鼠模型中展示了成像和光学刺激的基本功能。此外，研究人员还在非人灵长类动物中验证了该设备的完整视野应用，并成功解码了运动速度。
传统的神经接口主要依赖电极进行神经系统的记录和刺激，然而，这种方法受到脑脊液中电场屏蔽效应的限制，导致信号衰减较快。而光学技术由于其散射和吸收特性，可以在较大的距离范围内进行记录，能够覆盖更大的神经元群体。然而，即使是微型化的光学设备通常也依赖于显微镜技术，这些设备体积庞大，难以实现完全植入应用。
图1：器件示意图。
SCOPe设备的优势在于其体积效率极高，占用的体积远小于传统光学成像设备，但能够成像的视野却更大。此外，设备的机械柔韧性使其能够紧贴脑表面，减少因脑脉动导致的成像干扰。研究人员通过在小鼠模型中进行实验，展示了该设备在活体中对钙离子动态的成像能力和对神经刺激的响应。
为了验证该设备在非人灵长类动物中的应用，研究团队在一只猕猴的大脑皮层内使用了SCOPe设备，成功记录了在任务行为期间的神经活动。这些神经活动与动物的运动速度密切相关，研究人员通过该设备解码了这些神经信号，预测了运动速度，结果显示其预测能力与传统的电生理记录设备相当。
SCOPe设备的研发为脑机接口提供了新的可能。与现有的电极阵列相比，这种光学设备具有更高的分辨率和更广的视野，且在植入后对组织的侵入性更小。此外，SCOPe设备在运行时的功耗不到10毫瓦，且产生的热量不到1摄氏度，进一步增强了其在长期实验中的可用性。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01209-w
