现阶段的植入式脑机接口主要依靠电极读取神经活动。其优势是时间分辨率高，能够捕捉局部场电位和神经元放电；局限则是，仅凭电信号波形，很难直接判断信号来自哪一类神经元。包括Neuralink在内，当前公开的高通量植入式BCI仍以电信号记录为主。如果能在同一位置同步获得电信号和光信号，研究人员就有机会将毫秒级神经放电与细胞类型相关的荧光变化对应起来。电信号回答“神经元何时活动”，光信号则有望进一步回答“哪类细胞正在活动”。这正是多模态神经接口希望解决的问题。韩国科学技术研究院（KIST）等机构在《Advanced Science》发表的研究，为这一方向提供了一种新的硬件方案。研究团队开发出一枚基于bulk CMOS的13叉多模态神经探针，在同一器件上集成416个电极位点、832个光电二极管以及片上信号处理电路，使神经电活动与弱光信号可以通过同一枚探针完成采集。这项工作尚不能被直接理解为已经“攻克”神经元分类，也不是一款能够与Neuralink进行产品层面对比的临床BCI。论文尚未展示真实在体GCaMP钙成像，长期稳定性和规模化制造能力也有待验证。但它首次将高密度电极、光电探测器与完整片上读出整合到一枚主动CMOS神经探针中，为细胞类型分辨、多脑区记录和多模态脑机接口提供了新的硬件路径。图1 实物尺度与探针针柄结构。研究团队用硬币作尺度参照，并通过SEM确认针柄、电极和滤光层结构。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026；中文说明由脑机新声整理。
与单纯增加电极数量相比，这项研究更值得关注的地方，是研究团队试图同时解决两个问题：一是如何在同一枚植入式器件中读取电信号和光信号；二是如何降低定制化主动神经探针的制造门槛。
论文中的器件采用180 nm标准bulk CMOS工艺，芯片尺寸约5 mm × 2.8 mm。13根针柄横向覆盖约2.6 mm，每根针柄分布32个电极和64个光电二极管。电生理记录、光学检测、多路选择、信号放大和模数转换被纳入同一系统，而需要针对具体实验调整的电极表面、滤光层与探针形貌，则留给流片后的芯粒级加工。
这项工作的价值，在于证明了一件更具体的事：电信号与光信号可以被整合进同一枚高密度主动CMOS神经探针，并通过MPW、芯粒级后处理和片上读出，形成一条成本更低、定制能力更强的开发路径。对于脑机接口产业而言，这意味着未来神经探针的竞争可能不再只是“谁拥有更多电极”，还包括谁能在同一空间位置获取更多维度的生物学信息，以及谁能将这种能力转化为可重复制造的平台。目前常见的神经探针大致沿两条路线发展。研究机构擅长的MEMS无源探针可以快速改变针柄数量、传感材料和微流道等结构，但每个传感单元通常需要独立引线，通道增多后会遭遇布线、焊盘和外部采集系统的物理限制。主动CMOS探针则能在芯片上完成放大、复用和数字化，不过定制流片、SOI衬底和晶圆级后处理的成本与门槛较高。这篇论文选择了一个折中点：基础电路由商业bulk CMOS制造，借助多项目晶圆分摊掩膜与晶圆成本；探针释放、铂电极和吸收式滤光层则在流片后完成。作者给出的估算是，MPW芯粒一次迭代约需5000至10000美元，按其补充材料的成本口径，单晶圆成本可接近降低两个数量级。这仍是论文中的估算，不等同于量产报价，但它说明了开发模式的变化：先把高风险的应用定制集中在后处理，而不是每次都重走完整流片。 图2 专用掩膜晶圆与多项目晶圆的开发模式对比。MPW允许多个设计共享同一片晶圆，将定制探针作为其中一个版图区。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。完成后的探针包含13根长2.4 mm、宽约68至70 μm、厚约90 μm的硅针柄，针柄间距为200 μm。每根针柄上有32个15 μm × 15 μm的电极位点，以及64个8 μm × 8 μm的光电二极管，二者均以19 μm节距排布。整枚器件因此拥有416个电极位点和832个光电二极管，传感单元总数为1248。这里需要区分“物理传感位点”与“可同时独立采样通道”。论文采用分组选择和片上复用架构，把高密度位点接入有限数量的前端与ADC。因此，1248更准确地代表可寻址传感单元规模，而不是1248路并行、连续输出。对于产业比较，读出并行度、采样策略、功耗和链路带宽应与位点数量分开评估。器件尺寸｜约5 mm × 2.8 mm，13根针柄，横向覆盖约2.6 mm。电极阵列｜416个铂电极位点；单个位点15 μm × 15 μm；19 μm节距。光学阵列｜832个光电二极管；单个像素8 μm × 8 μm；19 μm节距。片上电路｜包含多路选择、低噪声前端、相关双采样、SAR/单斜率ADC、串行输出及FPGA接口。 图3 单根针柄上的电极/光电二极管布局与片上读出框图。图中可以看到位点选择、模拟前端与ADC的层级关系。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。把晶圆工艺搬到几毫米见方的芯粒上，并不是把设备参数缩小即可。厚胶旋涂时，光刻胶会在芯片边缘形成明显堆积，造成曝光离焦、散射和图形失真。这一问题在完整晶圆上通常不突出，但在芯粒上会直接影响针柄释放的良率。研究团队用普通3D打印制作了一个边缘胶堆积抑制框架（EBSF），将芯粒放入框架开口，并通过角点贴合缩短探针功能区与框架之间的间隙。框架改变了旋涂时的流动边界和弯月面位置。实验中，芯粒边缘相对中心的胶厚差由19.4 μm降至6.0 μm，边缘堆积指数由162%降至50%，改善约3.2倍。这一设计看似朴素，却是论文最具工程价值的部分之一。它不依赖昂贵的喷胶设备，而是用可快速修改的几何工装解决芯粒光刻一致性。对于需要多轮试制的神经接口团队，这类低成本工艺控制方法往往比单个器件指标更能缩短迭代周期。 图4 EBSF的定量效果：最大边缘胶厚由19.4 μm降至6.0 μm，边缘堆积指数由162%降至50%。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。主流主动硅探针常依赖SOI衬底，利用埋氧层作为背面刻蚀停止层。该团队改用标准bulk CMOS，并在针柄边界布置约4 μm厚的顶层金属结构。这组金属既增强针柄边界，又在去除介质和硅的过程中保护下层互连，承担局部刻蚀停止与工艺容差缓冲。论文将核心探针成形流程压缩为两次光刻和三次刻蚀：先去除针柄之间的CMOS层间介质，再从正面深硅刻蚀定义针柄，最后从背面减薄并释放。随后再进行电极窗口开启、钛/铂沉积和滤光层图形化。成品针柄厚度为89.78 ± 1.61 μm，宽度为70.03 ± 0.66 μm；统计来自两枚芯片的26根针柄。这套方法的可迁移性并非没有条件。论文也明确指出，金属刻蚀停止效果依赖铝合金成分、阻挡层、等离子体化学和过刻蚀余量。换用铜互连、更先进节点或不同钝化结构时，金属厚度与刻蚀配方需要重新验证。换言之，EBSF更接近通用工装，而金属停止层仍然是工艺平台专属能力。 图5 探针成形的三个主要阶段：定义针柄区域、刻蚀并释放13根针柄、完成铂电极与滤光层功能化。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。
光学部分针对GCaMP常用的蓝光激发与绿色发射波段。研究团队将吸收染料ABS 473混入SU-8，在光电二极管上形成约2.54 μm厚的滤光层。工艺温度保持在150 ℃以下，以避免损伤CMOS电路；滤光层相对像素阵列的实测对准误差为1.20 ± 0.03 μm。在470至490 nm激发波段，片上测得透过率为0.27%至0.94%；在510至530 nm发射波段，透过率为12.7%至33.7%。进一步的重复测试显示，520 nm平均透过率为32.26 ± 3.29%，480 nm为0.72 ± 0.53%。多数像素的滤光拒绝比偏差控制在均值的±2.17%以内，但第1根针柄边缘像素出现约14%的局部偏差，说明大面积均匀性仍受边缘工艺影响。读出端在400 fps常规模式下，对1至25 nW/mm²的520 nm入射光保持线性；25 fps高增益模式通过延长积分时间，把低照度线性区间扩展到1 nW/mm²。在1 nW/mm²处，论文给出的信噪比为62。研究团队还将离体海马组织的GCaMP6荧光经中继光学系统投影到探针表面，验证了单细胞尺度的空间图样和15%至40%的ΔF/F0瞬变。体外实验检测的是经光学系统投影到芯片表面的GCaMP6信号；活体实验使用受控照明模拟钙荧光强度变化。论文并未展示在活体动物中由真实GCaMP表达产生的钙信号成像。 图6 光学链路的线性、噪声等效功率与GCaMP6投影成像结果。图中还显示13根针柄上光学检测能力的空间分布。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。电极采用钛粘附层与铂表面，模拟前端输入阻抗约为28 MΩ（1 kHz）。电路可容纳±32 mV输入范围，用于覆盖电极偏置、神经信号和可能的刺激伪迹；前端以8 kS/s、12位有效分辨率工作，标称增益23 dB，-3 dB截止频率约3.7 kHz。这个带宽覆盖常见LFP与胞外动作电位记录，但并非面向更高频宽的宽带采集。16个被测电极在LFP频段（1至300 Hz）的积分RMS噪声为5.83 ± 2.1 μV，在动作电位频段（300 Hz至3.7 kHz）为10.8 ± 0.7 μV。研究团队把预先记录的CA1-MEC神经信号重新输入电极链路，系统同时恢复了LFP和动作电位，Kilosort 4.0从输出中分离出5个单元。这种台架验证有利于排除动物差异并检查416个电极位点的链路完整性，但它不能替代长期在体信号质量与单位稳定性的评估。热测试中，针柄区域在工作状态下升温低于0.2 ℃，供电走线附近的头端区域升温约1.4 ℃，该区域位于脑组织外。需要注意的是，方法部分说明温升是在实验室空气环境中用热像仪测得，与脑组织中的热传导、灌注和封装条件并不完全等价。 图7 电生理链路的带宽、噪声谱与预录神经信号回放结果。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。研究团队将探针沿矢状方向插入小鼠躯体感觉皮层、顶叶联合区和视觉皮层，记录不同异氟烷麻醉深度下的LFP与动作电位。深麻醉时，S1和V2的α频段峰值降低、θ频段增强；对侧眼闪光刺激后，视觉皮层低频LFP功率与放电率上升，说明电生理链路能够分辨状态与刺激相关变化。光学在体测试则向皮层表面施加约1.8至2.6 nW/mm²的受控光强，用时间波形模拟荧光变化。13根针柄在S1、PtA和V2位置记录到不同的光学响应，表明探针在组织散射与吸收条件下仍能完成弱光检测。它验证的是在体光子探测和空间分区能力，而不是已经完成细胞特异性的在体钙成像。样本量也决定了结论边界：功能性在体电学与光学记录来自1只小鼠。论文中的通道统计能够支持器件可行性，但无法回答动物间差异、慢性漂移、跨周单位稳定性以及长期光学背景变化等产品化问题。 图8 视觉刺激前后的LFP与放电变化，以及13根针柄在S1、PtA和V2记录到的受控光学响应。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。13根约90 μm厚的硅针柄可以一次覆盖多个皮层区域，但也意味着更大的插入截面与组织扰动。离体脑组织插入测试中，整枚探针穿透硬脑膜的峰值力为0.222 ± 0.003 N；若按13根针柄同时接触估算，单根约17.1 mN。测试未观察到屈曲或结构失效。组织学部分以Iba1评估小胶质细胞激活。插入后10分钟、6小时和1周的信号在轨迹附近升高并随距离下降，与未插入对照相比未达到统计显著。方法部分报告炎症评估使用N = 2；开放场行为实验为植入组N = 1、对照组N = 2。1周时程和这一样本量足以做早期安全性观察，但不足以证明长期组织相容性。对产业团队而言，更需要关注的是多针柄在数周至数月的胶质包裹、微动、信号漂移和断裂风险，以及植入工具、封装厚度和慢性头端重量。这些问题不会因为短期Iba1无显著差异而自动消失。 图9 插入后10分钟、6小时和1周的Iba1组织学，以及1周开放场行为结果。论文未观察到显著炎症或运动行为差异，但样本量和观察时程有限。图源：Mun等，《Advanced Science》，2026。这项工作的真正竞争力，是把“通用电路底座”和“应用相关传感界面”拆开。研究团队可以复用成熟的放大、ADC、控制与数字输出电路，再根据项目修改电极材料、滤光波段和针柄形状。对神经科学工具公司、科研仪器团队和早期器件创业公司而言，这种解耦有望减少每次定制都重新流片的概率。相较SOI专用工艺，bulk CMOS的代工选择、PDK器件库和MPW服务通常更丰富。180 nm节点也更适合模拟前端、高压容限和成本敏感的科研器件。但这种优势建立在后处理团队能够稳定完成芯粒光刻、深硅刻蚀、金属保护、表面材料和封装的前提上。成本从晶圆端转移后，工艺良率和人工复杂度仍会决定最终单探针成本。电生理提供毫秒级动作电位和网络振荡，钙荧光提供细胞类型相关的群体动态。二者在同一针柄上共定位，可以减少不同设备之间的空间配准误差。如果后续完成真实在体GCaMP记录、光学串扰控制和长期稳定性验证，这类探针有机会服务于细胞类型分辨的回路研究、药效评估和疾病模型。从论文原型走向可交付产品，至少还需要四类证据。第一，真实在体GCaMP或其他荧光探针的长期记录，并量化光漂白、组织散射、背景自发荧光和运动伪迹；第二，给出各模式同时工作时的读出并行度、总数据率、功耗和光电串扰，而不仅是位点总数；第三，在更大动物样本和更长时程中评估单位稳定性、胶质反应与机械可靠性；第四，披露后处理良率、芯片间一致性、封装、灭菌与连接器寿命，使MPW的成本优势能够转化为系统级成本优势。此外，13叉、90 μm厚硅结构适合大范围皮层覆盖，却未必适合所有脑区或慢性场景。未来产品可能需要提供不同针柄数量、厚度、长度和间距的家族化版本，而不是把当前几何作为唯一规格。正是在这一点上，论文提出的后处理定制路线才显示出平台价值。这是一项完成度较高的工程可行性研究：它把器件、工艺、读出、台架性能和初步在体验证串成了完整链条。但现阶段更适合被视为可扩展的研究平台原型，而不是已经验证成熟的长期脑机接口产品。神经探针的下一阶段竞争，不会只围绕电极数量展开。谁能更快地把新的材料、传感机制和读出算法放到可重复制造的硬件上，谁就更接近真正的平台能力。KIST团队的13叉多模态CMOS探针给出了一种务实答案：利用商业CMOS完成最难复制的电路集成，再用芯粒后处理保留研究创新所需的自由度。它还没有跨过真实在体钙成像、长期稳定性和规模化良率这几道关，但已经把“定制主动探针只能依赖高成本专用工艺”的边界向外推了一步。对脑机接口产业而言，这种制造路径的变化，可能比一次单点参数的提升更值得持续跟踪。
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