Massively Multiplexed Gold Microprobe Arrays for Whole-Mouse-Brain Recording
用于全小鼠大脑记录的大规模多重金微探针阵列
基本信息
- 批准号:10442207
- 负责人:
- 金额:$ 7.56万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2021
- 资助国家:美国
- 起止时间:2021-09-01 至 2022-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Abstract
Understanding brain function requires the ability to record simultaneously from thousands or tens-of-
thousands of neurons contributing to the dynamic activity in a neural circuit. CMOS based electrode
technology constitutes the only means to electrically interact with living systems beyond this scale and at sub-
millisecond time resolution, but suffers from the limited recording depth and the invasiveness of silicon wafer
which might prohibit their use in human experimentation. Still, there is a growing awareness that leveraging
commercially available large-scale CMOS technologies might address the scaling challenge in brain mapping.
We herein propose a new device concept which encompasses a unique and innovative combination of two
widely-used existing technologies - metal microwires and CMOS electronics - to create a synergistic result. By
developing small-diameter, deep-penetrating, gold microprobes monolithically on a thin yet reliable CMOS
electronic ‘router’, we aim to achieve over one thousand subcellular neuro probes with only a few I/O wires in a
commercially viable way, with scalability up to tens of thousands and even higher for large-scale in vivo brain
mapping.
We will first develop a viable electrochemical deposition process to achieve high-aspect-ratio gold
microprobes with down to 10µm diameter, and up to 1mm length. A passive gold microprobe array with 96
channels will be developed first at a density up to 100 probes/mm2. In parallel, we will develop a massively
multiplexed CMOS ASIC design on SOI substrates to be thinned down to the buried oxide layer with less-than-
3µm device thickness on a supporting Kapton substrate. We will form the massively multiplexed penetrating
arrays with up to 1000 electrodes by synthesizing gold microprobes on the thinned-down ASIC. Implantations
in rodent cortex will be used to assess recording reliability and tissue response. The monolithic fabrication
process of the gold microprobes will support up-scaling to 10,000 - 100,000 microprobes or higher at the cm
scale.
This project leverages a vibrant collaboration between material scientists, circuit designers, device
engineers and electrophysiologists at Dartmouth College and the University of Utah (Utah), to realize large-
scale, subcellular, deep-penetrating gold microprobe arrays that serve as a basis to scale to whole-mouse-
brain recording.
抽象的
了解大脑功能需要能够同时记录数千或数十个
数以千计的神经元参与基于 CMOS 的电极的动态活动。
技术是与超出这一规模和亚级的生命系统进行电交互的唯一手段。
毫秒时间分辨率,但受限于记录深度和硅片的侵入性
这可能会阻止它们在人体实验中的使用,但人们越来越意识到利用它们。
商业化的大规模 CMOS 技术可能会解决大脑绘图中的缩放挑战。
我们在此提出了一种新的设备概念,其中包含两种独特且创新的组合
广泛使用的现有技术 - 金属微线和 CMOS 电子技术 - 创造出协同效果。
在薄而可靠的 CMOS 上单片开发小直径、深穿透的金微探针
电子“路由器”,我们的目标是仅用几条 I/O 线即可实现超过 1000 个亚细胞神经探针
商业上可行的方式,可扩展性高达数万甚至更高,适用于大规模体内大脑
映射。
我们将首先开发一种可行的电化学沉积工艺来实现高纵横比的金
直径小至 10 µm,长度长达 1 mm 的无源金微探针阵列,包含 96 个探针。
首先将开发密度高达 100 个探针/mm2 的通道,同时我们将大规模开发一个通道。
SOI 衬底上的多路复用 CMOS ASIC 设计将减薄至埋氧化层,且小于
我们将在支撑 Kapton 基板上形成 3μm 的器件厚度,形成大规模多路复用穿透。
通过在减薄的植入上合成金微探针,可以形成具有多达 1000 个电极的阵列。
啮齿动物皮层中的整体结构将用于评估记录可靠性和组织反应。
金微探针的工艺将支持在厘米处放大到 10,000 - 100,000 个微探针或更高
规模。
该项目利用了材料科学家、电路设计师、设备之间的充满活力的合作
达特茅斯学院和犹他大学(犹他州)的工程师和电生理学家,以实现大
规模化、亚细胞、深穿透金微探针阵列,作为扩展到全小鼠的基础
大脑记录。
项目成果
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专著数量(0)
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