新型硅芯片能記錄大量腦活動

  美國哈佛大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)出一種創(chuàng)新性的硅芯片，能夠記錄大量神經(jīng)元間突觸信號的細(xì)微變化。利用該芯片，團(tuán)隊繪制并記錄了2000個大鼠神經(jīng)元之間的超過7萬個突觸連接。研究成果發(fā)表在最新的《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》雜志上，標(biāo)志著神經(jīng)元記錄技術(shù)的重大突破，有助于人們深入理解大腦功能。

  高階大腦功能源于腦細(xì)胞或神經(jīng)元之間的特定連接方式。神經(jīng)元間的接觸點稱為突觸，科學(xué)家致力于繪制這些突觸連接圖，不僅為了揭示哪些神經(jīng)元相互連接，還需要評估每個連接的強(qiáng)度。在生成突觸連接的圖像方面，電子顯微鏡是一種有力工具，但它們無法提供關(guān)于連接強(qiáng)度的信息，這限制了人們對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的理解。

  相比之下，膜片鉗電極是目前記錄神經(jīng)元活動的黃金標(biāo)準(zhǔn)，它能高效進(jìn)入單個神經(jīng)元內(nèi)部，精確記錄其突觸信號，并據(jù)此判斷突觸連接的強(qiáng)度。然而，將這種技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模神經(jīng)元群的研究一直面臨挑戰(zhàn)。

  在這項研究中，團(tuán)隊使用一塊具有4096個微孔電極陣列的硅芯片，在芯片上培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)元中進(jìn)行了大規(guī)模并行細(xì)胞內(nèi)記錄。通過這種方法，他們從大約2000個神經(jīng)元中提取了超過7萬個突觸連接的數(shù)據(jù)。

  團(tuán)隊通過向電極注入小電流來輕微打開細(xì)胞，實現(xiàn)高效的細(xì)胞內(nèi)記錄。微孔設(shè)計類似于傳統(tǒng)的膜片鉗電極，但比垂直納米針電極更容易制造，而且與神經(jīng)元內(nèi)部耦合效果更好。實驗結(jié)果超出了預(yù)期，在4096個微孔電極中，平均有超過3600個（即90%）實現(xiàn)了與頂部神經(jīng)元的細(xì)胞內(nèi)耦合。由此得到的高質(zhì)量記錄數(shù)據(jù)使科學(xué)家可以根據(jù)每個突觸連接的特征和強(qiáng)度進(jìn)行分類，這將極大推進(jìn)人們對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的理解。

  新工具的誕生總會推動一場認(rèn)知革命，新觀測手段也正在拓展我們對大腦的認(rèn)知邊界。此次，科研團(tuán)隊開發(fā)的新型電子芯片，成功記錄下了大鼠腦細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元間突觸信號的細(xì)微變化。這一表面上布滿4000余個微孔電極陣列的芯片，仿佛細(xì)胞間的“聽診器”，記錄著神經(jīng)元之間的交流。有了這一技術(shù)，我們不僅獲得了“腦地圖”，還看到了不同道路上的“交通流量”。這讓我們得以進(jìn)一步了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能，也為我們治療腦部疾病打開了新視角。