Abstract Here we demonstrate the Argo System, a massively parallel neural recording system based on platinum-iridium microwire electrode arrays bonded to a CMOS voltage amplifier array. The Argo system is the highest channel count in vivo neural recording system built to date, supporting simultaneous recording from 65,536 channels, sampled at over 32 kHz and 12-bit resolution. This system is designed for cortical recordings, compatible with both penetrating and surface microelectrodes. We have validated this system by recording spiking activity from 791 neurons in rats and cortical surface Local Field Potential (LFP) activity from over 30,000 channels in sheep. While currently adapted for head-fixed recording, the microwire-CMOS architecture is well suited for clinical translation. Thus, this demonstration helps pave the way for a future high data rate intracortical implant.

Summary Mammalian brains consist of 10s of millions to 100s of billions of neurons operating at millisecond time scales, of which current recording techniques only capture a tiny fraction. Recording techniques capable of sampling neural activity at such temporal resolution have been difficult to scale: The most intensively studied mammalian neuronal networks, such as the neocortex, show layered architecture, where the optimal recording technology samples densely over large areas. However, the need for application-specific designs as well as the mismatch between the threedimensional architecture of the brain and largely two-dimensional microfabrication techniques profoundly limits both neurophysiological research and neural prosthetics. Here, we propose a novel strategy for scalable neuronal recording by combining bundles of glass-ensheathed microwires with large-scale amplifier arrays derived from commercial CMOS of in-vitro MEA systems or high-speed infrared cameras. High signal-to-noise ratio (<20 μV RMS noise floor, SNR up to 25) is achieved due to the high conductivity of core metals in glass-ensheathed microwires allowing for ultrathin metal cores (down to <1 μm) and negligible stray capacitance. Multi-step electrochemical modification of the tip enables ultra-low access impedance with minimal geometric area and largely independent of core diameter. We show that microwire size can be reduced to virtually eliminate damage to the blood-brain-barrier upon insertion and demonstrate that microwire arrays can stably record single unit activity. Combining microwire bundles and CMOS arrays allows for a highly scalable neuronal recording approach, linking the progress of electrical neuronal recording to the rapid scaling of silicon microfabrication. The modular design of the system allows for custom arrangement of recording sites. Our approach of employing bundles of minimally invasive, highly insulated and functionalized microwires to lift a 2-dimensional CMOS architecture into the 3rd dimension can be translated to other CMOS arrays such as electrical stimulation devices.

Abstract The safe insertion of high density intracortical electrode arrays has been a long-standing practical challenge for neural interface engineering and applications such as brain-computer interfaces (BCIs). Here we describe a surgical procedure, inspired by laser corneal ablation, that can be used in large mammals to thin the pia mater, the innermost meningeal layer encapsulating the brain. This procedure allows for microelectrode arrays to be inserted into the cortex with less force, thus reducing deformation of underlying tissue during placement of the microelectrodes. We demonstrate that controlled pia removal over a small area of cortex allows for insertion of high-density electrode arrays and subsequent acute recordings of spiking neuron activity in sheep cortex. We also show histological and electrophysiological evidence that laser removal of the pia does not acutely affect neuronal viability in the region. This approach suggests a promising new path for clinical BCI with high-density microelectrode arrays.