延世大学Jong-Hyun Ahn、香港城市大学Sungchil Yang，Nature Materials！

纳米人

2025-12-09

研究背景

过去几十年里，多样的神经电生理技术，例如EEG、ECoG、LFP、单细胞/多单元记录等手段极大推动了我们对脑功能的认识，也为癫痫、帕金森病、中风、注意缺陷多动障碍以及脑–机接口等方向带来新的诊疗与交互手段。我们一直希望这类技术能在“大范围覆盖”与“高空间、时间分辨率”之间找到更理想的平衡点。然而，传统硬件始终面临“要么看得远，要么看得清”的两难局面。

传统的被动 ECoG 阵列（Passive array）依赖一对一的“电极一导线”的连接方式。这类器件因为其简单的工艺和极佳的可靠性被广为使用。然而电极数量一旦上升到几百甚至上千通道，布线密度、互连阻抗、封装面积等问题容易导致为了容纳更多通道而不得不牺牲电极尺寸和间距，从而影响信噪比和记录信号的质量。

在这样的背景下，延世大学Jong-Hyun Ahn、香港城市大学Sungchil Yang课题组在《Nature Materials》期刊上发表了题为“Two-dimensional semiconductor-based active array for high-fidelity spatiotemporal monitoring of neural activities”的最新论文。二维半导体 MoS₂凭借合适的载流子迁移率、极高的开关比、低漏电流以及良好的柔性与低温工艺兼容性，成为构建柔性主动阵列的理想候选。该研究团队基于二维半导体二硫化钼（MoS₂），首次通过在柔性聚酰亚胺基底上直接生长晶圆级薄膜，通过单片集成构建出高密度、宽带宽、可大规模扩展的柔性主动式 ECoG（脑皮层电图）阵列，有望为高通道数、高保真神经监测提供一条切实可行的新路径。

研究亮点

为了真正跨越从“材料”到“系统”的鸿沟，该研究在材料、器件、电路、阵列结构和植入应用等多个层面同时入手，力求探索一条完整且可扩展的技术链条。

首先，在材料与工艺层面，我们采用低温金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，直接在 4 英寸聚酰亚胺（PI）基底上生长三层 MoS₂ 薄膜，实现了晶圆级、无需转移（transfer-free）的单片集成。这一工艺一次性可制作出多块10 × 10主动阵列和大量测试模块，总通道数达到数千级别，同时保持了良好的器件一致性，为未来走向规模化制造提供了实质性的工艺基础。

其次，在像素与电路架构层面，我们使用了每个像素内集成双晶体管（2T）源随器架构：一个晶体管用于阵列选通和时域复用（multiplexing），另一个则作为源随器（source follower），实现高输入阻抗、低失真信号换能记录（transducing）。得益于MoS₂高开关比与低漏电的特性，该阵列在0.5 Hz–10 kHz 宽频段内可实现高保真记录，−3 dB下截止频率约6.5 MHz，采样频率最高可达90 kHz，单像素复用时间常数τ约20 ns（开关时间0-99%约为49 ns），串扰压低至−71 dB。这意味着，即使在高密度阵列中进行快速行扫描，仍能保证波形不严重失真。

在阵列集成与空间分辨率方面, 我们不仅实现了像素间距约250 μm、密度为16 sites/mm²的10 × 10阵列，还进一步将空间分辨率提升到到140 μm，将阵列密度提高到51 sites/mm²，并将通道数扩展至50 × 50（2,500 通道）。在导电水凝胶与电解质环境中，阵列成功“成像”了癫痫样放电和1 kHz交流电输入下的精确电位分布，显示出了对复杂空间电势分布的动态感知和高分辨采样能力，也验证了阵列在体外长期浸泡条件下（PBS）的电学稳定性。

植入式神经记录应用层面，我们将柔性MoS₂阵列植入小鼠听觉皮层，系统地展示了其对多尺度神经活动的高保真监测能力。在低频段，阵列能够清晰记录白噪声与多频多声压纯音诱发的听觉诱发电位（AEP），并重建出听觉皮层区域随输入声音频率有序排列的tonotopic map；通过对多个通道的响应幅度、选择性带宽和响应延迟进行定量分析，证明这一主动阵列可在保持高信噪比的同时提供更精细的空间与频率解析度。在高频段，研究团队利用高密度、高采样率的10 × 10阵列，对300–3,000 Hz 过滤后的 ECoG 进行分析，从中提取出了多单元活动（MUA），并将 MUA 放电率与低频AEP进行比较，发现随AEP平均幅度增加，MUA放电率（firing rate）表现出相似的上升趋势。拟合后的Pearson相关系数~0.895，说明高频MUA与低频AEP在时间上高度协同。这一结果说明，MoS₂阵列不仅能看到大尺度的场电位变化，也能通过其高度灵活的可扩展性进一步读出其背后更微观的高频放电模式，为理解多尺度神经编码提供了新的硬件手段。

最后，在长期可靠性与生物相容性方面，该工作将阵列固定于小鼠颅骨并进行4周慢性植入实验，期间持续记录听觉诱发响应。结果表明，AEP 的波形形态、峰值幅度和信噪比在整个实验周期内保持稳定，器件漏电流仍处于低水平。这一系列数据表明，柔性MoS₂有源阵列不仅在短期急性实验中表现出色，也具备走向长期神经监测和潜在临床使用的基础条件。

结论与展望

综合来看，本研究工作展示了一条从二维半导体材料出发，逐步走向柔性主动阵列系统，并最终在活体神经应用与慢性植入验证中完成闭环的技术路线。通过晶圆级低温生长与单片集成工艺，MoS₂被证明完全有能力支撑高通道数、宽带宽的有源ECoG 阵列；通基于2T源随器架构的像素与高速ROC的联合设计，在单个柔性芯片上实现了高采样率、低噪声、低串扰的多通道读出；通过在体外模拟、短期植入听觉实验、高频MUA检测和4周慢性植入，研究团队验证了这一平台在真实神经场景中的实用性与可靠性。

面向未来，这种柔性二维半导体主动阵列有望在多个方向持续扩展。一方面，在临床和转化医学领域，它可以为癫痫灶精确定位、术中功能区mapping、高分辨率监测语言与运动皮层活动等应用提供硬件基础，辅助临床决策；另一方面，在脑–机接口和神经工程领域，具备高通道数、高时间分辨率、可长期植入特性的主动阵列，将成为实现高比特率信息传输和闭环神经调控的关键节点。

更长远地看，如果我们将MoS₂阵列与其他二维材料、感测模块和片上处理单元进一步集成，有望发展出同时具备 电、生化、光学多模态感知 与 本地预处理、事件驱动编码 的“智能神经接口芯片”。届时，这类基于二维半导体的柔性主动阵列，不仅仅是一个记录工具，而有机会成为连接大脑与外部世界的高带宽“翻译器”，为基础神经科学研究和新一代神经医疗技术开辟更广阔的空间。

图文解读

图1. MoS₂有源阵列的整体设计与晶圆级制造

图2. MoS₂有源阵列的双晶体管像素的电学性能

图3. 高分辨率可扩展有源阵列系统的体外验证

图4. 活体植入监测小鼠听觉诱发电位（AEP）高分辨率映射

图5. 高分辨tonotopic map及与石墨烯阵列的对比

图6. 高频多单元活动（MUA）和4周慢性植入

原文详情：

Duo Xu†, Jueyong Hong†, Huilin Zhao†, et al., Two-dimensional semiconductor-based active array for high-fidelity spatiotemporal monitoring of neural activities. Nat. Mater., 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02430-4.