Brain-X | 大规模植入式脑机接口信号采集电极与芯片

脑机接口通过在大脑和外部设备之间建立直接连接通路，在脑科学、脑疾病临床诊治和脑机交互研究中都发挥着重要作用。脑机接口电极和芯片作为神经信号采集和处理的核心部件，从根本上决定着脑机接口系统的性能。近年来，国内外学者在植入式电极和芯片方面做了大量研究，以增加通道的数量和记录电极和芯片的性能，实现了百导、千导至万导的跨越式发展。然而，用于神经记录的高密度记录电极和芯片的发展遵循神经科学中的“摩尔定律”：即同时记录的神经元数量大约每七年翻一番，但面对大脑近千亿神经元的巨大规模，神经工具的开发仍然步伐缓慢，限制了其在脑科学研究方面的应用。因此，植入式高密度脑机接口信号采集电极和芯片是未来脑机接口发展的重要方向，有望为复杂神经环路研究和脑疾病的精准调控开辟新技术路径。

近期，上海交通大学刘景全教授、赵阳副研究员和西北工业大学吉博文副教授团队在Brain-X（交叉脑科学）以“High-density implantable neural electrodes and chips for massive neural recordings”为题发表综述论文（同时作为第二卷第二期的封面文章），回顾了植入式高密度脑机接口电极在设计实现、封装策略和神经信号高产率等方面的技术研究进展；讨论用于大规模信号采集脑机接口芯片的低噪声、高面积效率、低功耗等方面的技术进步；并对下一代高密度神经记录新兴技术的挑战和突破进行展望。本文第一作者为上海交通大学博士后王隆春、博士研究生索研星和西北工业大学本科生王家豪。

首先，本文综述了当前用于大规模神经记录的植入式高密度脑机接口电极和芯片的技术特点和研究现状。在脑机接口电极方面，系统阐述了不同类型脑机接口器件的设计和制备方案，以及在高密度路径上的技术和挑战，进一步介绍高密度微电极点的可靠扇出和封装策略，高密度脑机接口器件的稳定性和神经信号高产率提高的实现方法。在脑机接口芯片方面，深入分析了用于读出电路的模拟前端(AFE)设计的原理和结构，详细介绍在降低噪声、提升输入阻抗和减少通道串扰等方面的前端电路设计技术，讨论如何在受限的芯片面积下，实现细胞级分辨率，从而有效提高神经信号的记录精度，特别是在不同电路设计策略下对噪声抑制和信号质量提升的影响进行了系统小结。

植入式高密度脑机接口电极与芯片发展路线图

其次，本文对全脑单细胞尺度的高时空分辨率在体记录的挑战进行了分析，包括：微小化且高亲和性植入体、记录通道提升带来数据量传输及处理难题、电极和芯片的耐蚀稳定连接键合、高气密性长期服役脑机接口微型化系统等，并提出基于多学科知识交叉联合，深入脑机接口电极和芯片的理论和技术协同共进，为下一代更高密度神经记录和调控工具实现提供指导和启示。

通讯作者介绍

赵阳，上海交通大学副研究员，入选York Postdoctoral Fellowship、上海市浦江人才、上海海外高层次人才；获2023年IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems（TBioCAS）期刊最佳论文奖；长期从事高能效生物医疗芯片设计；在芯片设计领域发表包括IEEE TBioCAS, TCAS-I, TCAS-II, ISCAS, CICC等顶级期刊和会议在内论文40余项；申请国家发明专利10余项，其中4项已授权；指导学生集成电路设计奖5项。主持国家自然科学基金、工信部重点攻关课题、科技部重点研发微电子专项子课题、启元实验室创新基金、集成芯片与系统全国重点实验室开放课题等省部级项目课题，主持阿里平头哥Air项目等，参与科技创新2030脑科学项目、上海市科委脑机接口重大项目等。曾担任IEEE APCCAS/PrimAsia 2023财务联席主席，IEEE BioCAS 2023出版联席主席，IEEE OJCAS客座编辑等，现任IEEE BioCAS 2024本地组织联席主席，Integrated Circuits and Systems编委，IEEE柔性可穿戴电路与系统标准委员会秘书，IEEE电路与系统协会（IEEE 领头协会）生物医疗与生命科学技术委员会委员。

吉博文，西北工业大学副教授、博士生导师，无人系统技术研究院院长助理。长期从事可植入脑机接口传感器、可穿戴柔性电子传感器的设计、制造与机制研究。入选西北工业大学2023年度“翱翔新星”，三秦英才特殊支持计划创新创业团队-创全国一流团队核心骨干。无人系统技术研究院-博睿康科技脑机接口联合实验室负责人，无人飞行器技术全国重点实验室、无人机技术集成攻关大平台、空天微纳系统教育部重点实验室、三航脑科学与脑技术研究中心学术骨干。已发表SCI论文50余篇，EI会议论文20余篇，参与发表Science, Nature, Nature Medicine, Nature Biomedical Engineering等，被引超过2600次；申请国家发明专利40余项，已授权20余项，成果转化1项；主编教材1部《智能传感与检测技术》（电子工业出版社，研究生规划教材）；主持国家自然科学基金、科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目子课题、博士后站前特别资助/面上、陕西省重点研发等国家、省部级课题10余项。兼任指挥与控制学会-虚拟现实与人机交互专委会副总干事，中国康复医学会-脑机接口与康复专业委员会委员，乐普医学电子仪器股份有限公司、博睿康医疗科技（上海）有限公司特聘专家，中国信息通信研究院脑机接口产业联盟专家等；Brain-X，The Innovation，View，Cyborg and Bionic Systems，Exploration， Nanotechnology and Precision Engineering等期刊青年编委。

刘景全，上海交通大学特聘教授。“微米纳米加工技术”全国重点实验室主任（上海交大）。东方英才计划领军（原上海领军人才）、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者和教育部新世纪优秀人才。获教育部自然科学一等奖1项、上海市发明一等奖1项。Nano-Micro Letters 期刊（IF：31.6）编委。主要研究兴趣包括：MEMS脑机接口器件、极端环境MEMS智能传感器与微系统以及微纳加工与集成。近5年在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Biomaterials、Small、Biosensors and Bioelectronics、Sensors and Actuators (A/B)、IEEE J-MEMS 等国际著名刊物上发表论文近60篇。主持项目包括：国家自然科学基金重点项目、国家重大专项项目、科技部2030重大项目和上海市级重大专项等。

本文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/brx2.65

Longchun Wang, Yanxing Suo, Jiahao Wang, Xuanqi Wang, Kai Xue, Jingjing An, Xun Sun, Qinyu Chen, Xiaochen Tang, Yang Zhao, Bowen Ji, Jingquan Liu. High-density implantable neural electrodes and chips for massive neural recordings. Brain-X. 2024; 2:e65. https://doi.org/10.1002/brx2.65

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