神经科学新突破：Neuropixels Opto探针的革命性进展
【文献解读：bioRxiv预印本平台发表了一篇题为“Neuropixels Opto: Combining high-resolution electrophysiology and optogenetics”文章】
在神经科学领域，理解大脑功能一直是科学家们追求的目标。而今，一项名为Neuropixels Opto的创新技术，正在为这一目标带来前所未有的推动力。今天，就让我们一起走进这项技术的奇妙世界，看看它是如何为神经科学研究带来革命性变化的。
一、背景：神经科学的挑战与机遇
在过去，科学家们主要依靠电生理记录和光遗传学这两种技术来研究大脑。电生理记录可以让我们“听到”神经元的“声音”，而光遗传学则可以让我们“指挥”神经元的活动。这两种技术都非常强大，但它们也有各自的局限性。例如，电生理记录虽然可以高精度地记录神经元的活动，但却很难识别神经元的类型；而光遗传学虽然可以精确地操纵神经元的活动，但却需要额外的设备来传递光，这不仅增加了实验的复杂性，还可能对大脑组织造成损伤。
二、Neuropixels Opto：创新的集成化解决方案
就在这样的背景下，Neuropixels Opto探针应运而生。它将电生理记录和光遗传学这两种技术完美地结合在一起，创造了一个全新的、集成化的研究工具。这个探针不仅能够同时记录多个神经元的活动，还能够精确地操纵这些神经元的活动。而且，它还能够识别神经元的类型，这在以往是很难实现的。
Neuropixels Opto探针的设计非常巧妙。它将960个记录位点和14个光发射器集成在一个1cm长的探针柄上。这些光发射器可以发射蓝光和红光，能够同时操纵或标记两种遗传定义的神经元群体。而且，这个探针还采用了先进的光子波导技术，能够将高强度的光引导至探针柄部，从而提高了光的传递效率和空间分辨率。这就好比给科学家们配备了一把“瑞士军刀”，让他们在研究大脑时能够更加得心应手。
三、Neuropixels Opto的优势
那么，Neuropixels Opto探针到底有哪些优势呢？首先，它能够减少实验的复杂性和侵入性。由于将记录和光发射功能集成在同一个探针上，科学家们不再需要分别插入记录电极和光传递设备，这不仅简化了实验设置，还减少了对大脑组织的损伤。其次，它能够提高实验的精度。通过精确控制光发射器的位置和光强度，科学家们可以更加精确地操纵神经元的活动，从而获得更可靠的研究结果。此外，Neuropixels Opto探针还能够减少光热效应。传统微LED技术在中等光强下会使大脑温度升高0.5–1.5°C，而Neuropixels Opto通过优化光子波导和光发射器的设计，有效减少了光热效应，从而保护了大脑组织。最后，Neuropixels Opto探针还能够提高记录质量。它具有低噪声和高信噪比的特点，能够同时记录多个神经元的活动，为科学家们提供了更丰富的数据。
四、Neuropixels Opto的应用
Neuropixels Opto探针的出现，为神经科学研究带来了无限的可能性。例如，科学家们可以利用它来研究大脑的局部网络效应。通过在小鼠视觉或运动皮层中表达光敏感蛋白，然后使用Neuropixels Opto探针发射光脉冲，科学家们可以激活或抑制特定的神经元群体，从而观察到局部网络的活动变化。此外，Neuropixels Opto探针还可以用于光标记实验。通过在深部脑结构中表达光敏感蛋白，然后使用Neuropixels Opto探针发射光脉冲，科学家们可以标记特定细胞类型的神经元，从而更好地理解这些神经元的功能。
五、未来展望
Neuropixels Opto探针的出现，无疑是神经科学研究领域的一个重大突破。它不仅为科学家们提供了一个强大的研究工具，还为未来的神经科学研究带来了无限的想象空间。未来，随着技术的不断发展和改进，Neuropixels Opto探针将变得更加高效、更加精确、更加易于使用。我们有理由相信，它将在神经科学研究中发挥越来越重要的作用，为揭示大脑的奥秘做出更大的贡献。
总之，Neuropixels Opto探针的出现，为神经科学研究带来了新的希望和机遇。它将电生理记录和光遗传学这两种技术完美地结合在一起，创造了一个全新的、集成化的研究工具。它不仅能够减少实验的复杂性和侵入性，还能够提高实验的精度，减少光热效应，提高记录质量。我们期待着Neuropixels Opto探针在未来的研究中发挥更大的作用，为神经科学研究带来更多的惊喜和发现。
Figure 1 – Design of the prototype Neuropixels Opto probe. a, Cross-section of the Neuropixels Opto shank, showing the titanium nitride (TiN) recording sites (connected with a “via” to the silicon CMOS layer) and the silicon nitride (SiN) photonic waveguides ending in the emitters (grating couplers). b, Layout of recording sites and dual color emitters. c, Photos of a probe shank across four time points, with two red and two blue emitters delivering light in succession. d, Device package. e, Neuropixels Opto system architecture, with PXI modules for data acquisition (white) and light delivery (purple).
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.02.04.636286v1.full.pdf
Neuropixels不是一家公司，而是一个开源的项目，由加州理工学院（Caltech）的生物医学工程师Timothy Harris领导的研究小组开发。Neuropixels项目的主要目标是开发一种高效、精确和高密度的神经元活动记录工具，以帮助神经科学家更好地了解大脑的功能和疾病机理。创始人Tim Harris等人最初是在比利时微纳加工中心（IMEC）进行了Neuropixels电极的制造。IMEC是一家欧洲领先的半导体和纳米技术研究机构，其微纳加工技术非常先进。在2014年至2016年期间，Tim Harris和他的团队与IMEC合作，利用IMEC的微纳加工技术制造了Neuropixels电极的早期版本。
Neuropixels 1.0探针是一种全集成的硅CMOS数字神经探针，基于130nm CMOS工艺制造的,具有信号调节和数字化的芯片设计。每个探针具有384个双频低噪声记录通道，可单独配置为同时记录来自960个可选择的低阻抗TiN电极的AP（动作电位）和LFP（局部场电位）信号，TiN触点面积为12x12μm2，这些电极密密麻麻地沿着10mm长、70 x 24 µm横截面的直柄。5×9mm2大小的基座上 CMOS电路负责双波段记录（脉冲频段30KHz/每通道，局部场电位频段2.5KHz/每通道）并通过数字端口以超过20MB带宽向采集板发送数据。
Neuropixels 2.0 版本的电极长度为10mm，横截面积为70x24μm，两列触点，单列触点间距为15μm，两列触点支架的间距为32μm，排列为垂直对齐（1.0是交错排列），触点分布更为密集，每个电极上的触点数量也从960增加到了1280，并且有单电极版本与四电极版本（5120个触点），4电极版本的中心距为250μm。
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