麻省理工学院开发新型图像传感器芯片，提升神经科学研究能力

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麻省理工学院（2024USNews美国大学排名：2）（MIT）的研究人员最近开发了一种新型图像传感器芯片，这一创新可能会彻底改变神经科学研究领域。由张杰博士领导的团队发明的这种芯片，采用了标准的“互补金属氧化物半导体”（CMOS）技术，但与传统方法不同的是，每个像素的开关时间和持续时间可以单独编程。这种“像素级”可编程性使得研究人员能够更好地可视化神经电压“尖峰”，甚至是那些在尖峰事件之间不断发生的更微妙的电压波动。本文将深入探讨这一新型图像传感器芯片的技术细节、其在神经科学研究中的应用前景，以及其对未来研究的潜在影响。

新型图像传感器芯片的技术细节

麻省理工学院的这项研究采用了标准的CMOS技术，但其创新之处在于每个像素的时间控制可以独立进行。传统的CMOS传感器在速度和光捕捉之间存在权衡，而新型芯片通过邻近像素的互补工作，实现了高信噪比和高时间分辨率。具体来说，这种新型传感器的每个像素的采样速度和相位可以单独编程，像素可以排列以同时以高速度和高信噪比（SNR）进行采样。

研究人员通过对小鼠海马体神经元的高速度电压成像实验，证明了这种传感器的有效性。实验结果显示，PE-CMOS传感器的输出信噪比比标准科学CMOS传感器提高了2到3倍。该传感器能够捕捉到标准传感器错过的神经尖峰活动，并且其分段测量结果与传统的膜片钳电极的电读数更为一致。

像素级可编程性在CMOS技术中的应用

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所开发的这款新型传感器芯片，特别适用于增强神经活动的成像。该芯片采用了一种新的标准CMOS技术，能够单独控制每个像素的时间，从而在不牺牲速度的情况下捕捉所有可用光线。这种“逐像素”可编程性有助于更好地可视化神经电压尖峰和更微妙的电压波动。

该项目的可编程曝光CMOS（PE-CMOS）传感器使用每像素六个晶体管，简化了像素级电路，并确保在低光条件下的高灵敏度。通过在像素级配置自定义曝光和采样模式，该芯片能够在小鼠试验中有效地将信噪比（SNR）提高一倍，捕捉到传统传感器错过的神经尖峰活动。

实时测量自由活动动物中的神经活动

麻省理工学院的研究人员在《自然通讯》上发表了一篇论文，介绍了这种新型图像传感器可以显著提高神经活动成像的能力。实验表明，这种“像素级”可编程性提高了神经电压“尖峰”的可视化效果，甚至可以捕捉到在这些尖峰事件之间发生的更微妙的电压波动。研究团队还展示了该芯片在成像小鼠海马体神经元电压活动方面的改进效果。

传统的CMOS图像传感器在速度和光捕捉之间存在权衡，而新芯片通过邻近像素的互补工作，实现了高信噪比和高时间分辨率。研究人员计划进一步改进芯片，以实现更低噪声、更高像素数和更高时间分辨率的成像，最终目标是在自由活动的动物中进行大规模的电压成像。

未来的研究方向和应用前景

这种新型图像传感器芯片的开发为神经科学研究开辟了新的可能性。首先，它能够在自由活动的动物中进行实时的神经活动测量，这对于理解大脑的动态功能至关重要。传统的神经科学研究通常依赖于固定或麻醉的动物，这限制了对大脑在自然行为状态下的理解。而这种新型传感器芯片的出现，使得研究人员可以在动物自由活动的情况下，实时监测不同类型神经元的活动。

其次，这种芯片的高信噪比和高时间分辨率，使得研究人员能够捕捉到更微妙的神经电压波动。这对于研究神经元之间的复杂互动和信息传递机制具有重要意义。通过更精确地测量神经电压变化，研究人员可以更好地理解神经元的功能和大脑的工作原理。

此外，这种新型传感器芯片还可以应用于其他领域，如医学成像和生物医学工程。高分辨率和高灵敏度的成像技术对于早期疾病诊断和治疗具有重要意义。例如，在癌症研究中，这种技术可以用于检测早期的癌细胞变化，从而提高早期诊断的准确性和治疗效果。

结论

麻省理工学院开发的新型图像传感器芯片，通过像素级可编程性和高信噪比，实现了对神经电压变化的高精度成像。这一创新不仅为神经科学研究提供了新的工具，还为其他领域的研究和应用开辟了新的可能性。未来，随着技术的进一步发展和改进，这种新型传感器芯片有望在科学研究和实际应用中发挥更大的作用。

总的来说，这项研究展示了技术创新在科学研究中的重要性。通过不断探索和开发新的技术，研究人员可以更深入地理解自然界的复杂现象，从而推动科学的进步和社会的发展。麻省理工学院的这项研究不仅为神经科学研究提供了新的工具，还为其他领域的研究和应用开辟了新的可能性。未来，随着技术的进一步发展和改进，这种新型传感器芯片有望在科学研究和实际应用中发挥更大的作用。