哈佛大学的科学家们已经使用细硅纳米线来检测、刺激和抑制神经信号沿着轴突和树突的活体哺乳动物神经元。

哈佛化学家查尔斯·M·利伯（Charles M. Lieber）和他的同事们在《科学》杂志上发表了这项纳米线与神经元的结合研究的成果。

“我们描述了第一个纳米电子设备和个体哺乳动物神经元之间的人工突触，以及第一个将固态设备——纳米线晶体管——连接到神经元投射的实例，这些投射在大脑中相互连接并传递信息，”利伯说，他是哈佛大学文理学院和工程与应用科学学院的马克·海曼（Mark Hyman, Jr.）化学教授。“这些极其局部的设备可以以现有技术无法匹敌的空间分辨率检测、刺激和抑制神经信号的传播。”

脑活动的电生理测量在理解个体神经元和神经网络中的信号传递方面起着重要作用，但现有的技术相对较为粗糙：插入细胞的微管电极是侵入性的和有害的，而微制电极阵列太笨重，无法在个体轴突和树突的水平上检测活动，这些神经元投射负责电信号的传递和神经元间的通信。

相比之下，利伯和他的同事们开发的微小纳米线晶体管轻轻地接触神经元投射形成混合突触，使其非侵入性，并且比目前用于测量脑活动的电子设备小了数千倍。

利伯的团队此前已经证明，纳米线可以以极高的精度检测体内癌症的分子标志物，以及单个病毒。他们的最新工作利用了超细硅纳米线和轴突、树突的大小相似性：纳米线，如神经元的分支，只有几十纳米的宽度，使得这些细丝成为拦截神经信号的良好匹配。

由于纳米线非常细——它们与神经元的接触长度不超过20微米——利伯和他的同事们能够在单个轴突的50个位置测量和操纵电导率。

目前的工作仅涉及单个哺乳动物神经元中的信号测量；研究人员现在正在努力监测更大神经元网络中的信号传递。利伯说，这些设备最终也可以被配置为测量或检测神经递质，这些化学物质可以跨越突触，将电脉冲从一个神经元传递到另一个神经元。

“这项工作可能会对科学和技术产生革命性的影响，”利伯说。“它为神经科学提供了一个全新的方法来研究和操纵神经网络中的信号传递，这种方法的水平是其他技术无法匹敌的；它为构建大脑和外部神经假肢之间的复杂接口提供了一个新范式；它代表了一种新的、强大的和灵活的方法，用于实时细胞测定，这对药物发现和其他应用程序是有用的；并且它开启了将数字纳米电子和生物计算组件的优势结合起来的混合电路的可能性。”

利伯的合著者包括哈佛大学化学和化学生物学系的费尔南多·帕托尔斯基（Fernando Patolsky）、布莱恩·P·蒂姆科（Brian P. Timko）、于贵华（Guihua Yu）、方莹（Ying Fang）、安德鲁·B·格雷塔克（Andrew B. Greytak）和郑耿峰（Gengfeng Zheng）。他们的工作得到了美国国防高级研究计划局和应用生物系统公司的支持。

联系人：史蒂夫·布拉德特（Steve Bradt）

哈佛大学