研究人员首次记录单个脑细胞的长期电活动

作者：哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院 Kat J. McAlpine

电子植入传感装置示意图。资料来源：哈佛大学工程与应用科学学院刘实验室

当一个人经历快乐或悲伤的情绪时，哪些脑细胞处于活跃状态？

要回答这个问题，科学家们需要了解单个脑细胞是如何为更大的大脑活动网络做出贡献的，以及每个细胞在塑造行为和整体健康方面扮演着怎样的角色。到目前为止，人们还很难清楚地了解活体动物的脑细胞在较长时间内的行为方式。

但是，哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的刘佳研究小组开发了一种电子植入物，可以从单个相关细胞中收集一年多的大脑活动详细信息。他们在小鼠身上的研究成果发表在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）杂志上。

"刘说："这项研究解决了一个根本性的问题--创建一个不会干扰大脑功能或随时间退化的大脑电子接口。

长期以来，神经科学家一直在寻求更好的工具来研究大脑中的不同细胞，包括神经元（传递电子和化学信息）和小胶质细胞（负责维护大脑健康的免疫细胞）。

"刘说："单个神经元非常小，只有10到100微米，而且当它发射时，其动作电位（电活动的尖峰）仅持续约两毫秒。

某些技术可以检测特定细胞的大脑活动，以便在大脑的小区域进行短时实验，这些细胞可以是刚从动物身上取出的组织，也可以是使用探针或光遗传学技术在原位捕捉的活动。

刘说，但这些条件并不 "真实"，它们无法提供关于单个细胞电活动的足够详细的信息，因此无法了解电活动是如何随着年龄和其他生活经历而变化的。"行为、记忆和疾病都是在数天、数周、数月和数年的过程中积累起来的。

他说，迄今为止的大部分困难都是由于活体脑组织和电子记录设备之间的机械特性不匹配造成的。这阻碍了对神经元和小胶质细胞随时间变化的行为进行长期、精确的记录。

"大脑非常柔软，就像豆腐或布丁的质地。相比之下，电子器件是刚性的。大脑的任何微小移动都会导致传统传感器在活体脑组织中漂移和移动。这种结构上的不匹配会导致植入部位周围的细胞退化"。

网状纳米电子传感器（红色）植入神经元和小胶质细胞（绿色）之间的效果图。资料来源：哈佛 SEAS 刘实验室

刘的团队专门从事纳米电子或 "半机械人 "的工程设计，在活体组织和电子设备之间架起了一座桥梁。为了规避这个问题，刘的团队开发了一种可植入设备和微创技术，将其安全地植入大脑。这种网状柔性纳米电子传感器可通过水溶性聚合物 "穿梭器 "植入脑组织。在植入前，该装置及其输送梭通过光刻技术连接在一起。一旦植入大脑，只需使用简单的生理盐水溶液即可溶解梭子，只留下网状电子传感器。

在小鼠研究中，当刘的团队将纳米电子传感器植入大脑的多个区域时，植入过程和传感器的存在对脑组织的干扰极小。然后，他们针对单个神经元进行分析，用这些装置记录了这些细胞在小鼠成年后的电活动。

"Liu说："即使在一年之后，我们也没有发现单个神经元有任何退化，也没有发现我们想用这种装置记录的小胶质细胞有任何增殖。"目前还没有其他技术能够在几个月到一年的时间里跟踪活跃动物体内相同细胞的单细胞动作电位。

展望未来，Liu 计划进一步开发这项技术，以便将大脑活动从生物神经网络实时传输到计算机中的人工神经网络进行分析。此外，他还想探索如何利用网状纳米电子传感器来研究 "神经表征 "等现象。

"他说："当你看电影或看到汽车在路上行驶时，你的大脑会产生电活动来表现这些图像。在神经表征过程中，大脑将感官信息和思维编码成外部刺激的模型。

刘说，例如，情绪会受到神经表征的影响，他尤其感兴趣的是

(责任编辑：泉水)

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