5376通道全频段神经数据采集系统概述 ©作者团队/npj Biomed. Innov.
8月3日，莱斯大学谢冲教授等团队在《npj Biomedical Innovations》刊发重磅成果，推出一套可同时完成5376通道神经记录、兼具电刺激的集成化平台，以自研专用芯片（ASIC）、柔性皮层微电极阵列与双层金凸点封装工艺三大核心创新，大幅缩小设备体积、提升信号保真度，为大规模脑功能测绘、闭环脑机调控提供了兼顾微创、低噪、高通量的全新硬件方案，相关技术指标刷新同类微皮层电图（μECoG）系统纪录。
长期以来，脑神经科学与脑机接口研发始终受硬件瓶颈制约。传统商用设备依靠多块64通道芯片拼接实现千级通道采集，整套设备重量、功耗偏高，散热与布线杂乱问题让自由活动动物实验难以开展；主流Neuropixels探针仅能分时启用数百个电极，绝大多数点位闲置；另有65536电极阵列方案最多仅同步读取1024通道信号，采样速率不足以捕捉神经元锋电位。
这套新平台针对性化解通道同步性、数据带宽、柔性电极高密度集成三大矛盾，整套信号处理头端仅3cm×3.3cm×1.2cm，三层堆叠PCB把采集芯片、路由基板与现场可编程门阵列（FPGA）数据控制器整合在狭小空间，轻量化结构适配活体动物颅顶搭载。
整套系统的核心是一枚基于110nm工艺定制的神经专用ASIC芯片，芯片排布84×64共5376个独立像素采集单元，每一个像素单元都配备独立低噪声模拟前端，从源头降低微弱脑电信号的失真与噪声干扰。单通道采样速率稳定维持20千次每秒，覆盖2Hz至10kHz完整神经信号频段，既能捕捉慢波局部场电位，也能完整记录神经元放电脉冲，全通道数据流总吞吐量突破1.3Gb/s。
5376通道记录‑刺激专用集成电路的架构。©作者团队/npj Biomed. Innov.
除海量同步采集能力外，芯片内部采用分时复用模数转换架构，在保证全通道同步采样的同时实现超高速数据流输出，芯片还集成224通道可独立寻址的刺激输出单元，最多支持32个点位同步发放双向电流脉冲，刺激参数可通过外部FPGA以1微秒精度自由配置。
同时支持双向神经交互，可在记录脑电的同时向脑组织输出可控电脉冲，搭配专属快速恢复电路，刺激脉冲带来的信号伪迹会被快速消除，实现刺激与记录无间断同步开展。
而整套芯片单通道平均功耗42微瓦，功率密度0.75mW/mm²，理论测算芯片表面升温不足1℃，不会对脑组织造成热损伤，安全标准符合植入式医疗设备规范。
为适配芯片高密度通道，研究人员同步开发两种不同规格的超薄柔性聚酰亚胺皮层电极阵列，分别适配啮齿类动物实验与未来人体皮层观测需求。电极采用四层金属布线结构，在极薄基底上实现密集走线，电极位点表面溅射氧化铱涂层，这种生物兼容材料能稳定传导微弱电场信号，同时具备优异的电荷注入能力，兼顾记录与刺激双重需求。
阵列上预留微型灌注孔，保障电极贴附脑组织时液体流通，避免积液阻隔信号，电化学测试证实电极在生理环境下阻抗水平稳定，适合长期稳定记录局部场电位。
探针（电极）设计 ©作者团队/npj Biomed. Innov.
突破柔性探针与芯片互联瓶颈的是独创双层金凸点键合工艺，这套工艺无需对芯片做额外腐蚀加工，先在芯片每个像素触点制备第一层金球，再将带中空焊盘的柔性电极精准对位覆盖，向中空焊盘内沉积第二层金球，让两层金属焊点熔融贴合，形成一对一精准电气与机械连接。
整套键合流程自动化完成，成品导通良率超过九成，剪切力学测试证明焊点具备充足机械强度，柔性探针本身的弯折特性也不会被键合结构破坏，为大批量量产高密度神经设备提供低成本可行路线。
使用一台标准热压球焊机，全部5376个通道的完整键合过程可在约10分钟内完成，为大规模生产提供了一种可扩展、低成本的集成方案。©作者团队/npj Biomed. Innov.
团队在活体大鼠大脑皮层开展完整系统功能验证，将柔性阵列贴附于大鼠单侧大脑半球，覆盖体感、运动、视觉多块关键功能脑区，分别对胡须、四肢、躯干施加机械触觉刺激。
设备清晰捕捉到不同躯体刺激对应的局部脑区激活信号，不同躯体感受对应的神经激活区域边界清晰无重叠，微米级电极间距能够分辨毫米以内细微的神经活动空间分布，无需复杂降噪算法即可清晰区分功能分区，为躯体感觉、运动皮层神经环路研究提供直观可视化工具。
相较于现有商用与实验室自研设备，这套一体化平台补齐了多项性能短板，既实现全通道无切换同步采集，又维持极低噪声与可控功耗，芯片集成刺激功能省去额外刺激设备，柔性微创电极无需穿刺脑组织，大幅降低实验动物损伤。设备模块化的互联接口还具备拓展潜力，未来可搭配穿刺电极、化学传感探头、光电器件，搭建多模态神经观测系统，不局限于单纯电信号记录。
这项技术的落地同时打通基础科研与临床转化两条路径。在基础神经科学研究中，超高密度皮层成像能完整解析感知、决策、记忆相关神经环路的空间动态；面向转化医学，高分辨率脑机接口可提升运动意图、语音信号解码精度，助力神经假肢与癫痫病灶精准定位。
研究团队表示，后续将重点开发无线数据传输、片上实时信号压缩模块，结合生物相容性封装工艺优化，推动这套高密度神经接口向非人灵长类与人体临床场景持续迭代。
