14、用于视觉和神经假体应用的混合电子/光子多芯片模块

用于视觉和神经假体应用的混合电子/光子多芯片模块

1. 研究背景与动机

在神经假体设备的开发中，一种可行的方法是设计和制造包含多个硅超大规模集成电路（VLSI）芯片的紧凑型模块。这些模块能够实现神经或类神经功能，包括类神经元单元阵列之间的密集加权（类似突触）互连。其目标是将这些模块手术植入病变或受损的大脑区域，与活跃的脑组织建立接口，实现现有生物神经元层与植入模块表面之间的双向信号传输。

目前在开发这些模块的过程中，很大程度上借鉴了在自适应视觉传感器研究方面的成果。自适应视觉传感器旨在为机器人视觉等应用提供先进的目标识别功能，它将受生物启发的视觉模型映射到特定的VLSI电路和密集扇出/扇入互连模式的组合上。尽管这些自适应视觉模块并非专为植入设备设计，但其基本原理经适当修改后，有望用于开发可植入模块。不过，必须重视植入式神经假体设备与活体神经组织的接口问题。

2. 功能需求

2.1 生物组织接口

候选的神经假体多芯片模块必须与植入部位周围的活体生物组织建立可行的接口。这个生物/非生物接口最好是三维的，能覆盖植入模块的大部分外表面。接口应包含高密度的互连点（电极），电极间距应与相邻活体神经组织中的平均神经元间距相对应，并且能够穿透中间的受损组织层。理想情况下，这些接口阵列应反映植入区域的局部细胞结构（功能布局），实现“共形”映射。

2.2 信号交互

神经假体模块至少在模块与组织接口的前几层，必须能够与局部脑组织特有的生物信号表示（如尖峰行为）进行交互。一些神经假体可能仅通过这种信号表示就能在整个互连层中成功运行，而许多神经假体可能包含多种信号表示，在接口附近为生物性质，随着远离表面逐渐转变为其