大脑控制的未来大脑控制的未来

我们的脑细胞或神经元如何利用电信号来沟通和协调大脑的高级功能,这是所有科学中最大的问题之一。

几十年来,研究人员一直使用电极监听并记录这些信号。膜片钳电极是一种置于薄玻璃管中的电极,它在20世纪70年代彻底改变了神经生物学。膜片钳电极能够穿透神经元,记录细胞内安静但容易泄露的突触信号。但是这个工具缺乏记录神经元网络的能力;它只能同时测量大约10个细胞。

现在,哈佛大学的研究人员开发了一种电子芯片,可以同时从数千个相连的神经元中进行高灵敏度的细胞内记录。这一突破使他们能够以前所未有的水平绘制突触连接图谱,识别出数百个突触连接。

“我们将敏感性和并行性结合起来,可以使基础神经生物学和应用神经生物学都受益,包括功能连接体的构建和高通量的电生理筛选,”该论文的联合高级作者、化学和物理学教授小马克·海曼(Mark Hyman Jr.)说。

“生物突触的映射网络启用这久的并行化的胞内记录还可以提供一个新的机器智能战略构建新一代人工神经网络和神经形态处理器,“说Donhee火腿、戈登·麦凯的应用物理和电子工程教授约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋),和文章的第二作者的论文。

该研究发表在《自然生物医学工程》杂志上。

研究人员利用与计算机微处理器相同的制造技术开发了这种电子芯片。该芯片的特点是其表面有密集的垂直排列的纳米级电极,这些电极由底层的高精度集成电路操作。每一个纳米电极都涂有铂粉,表面粗糙,提高了其传递信号的能力。

神经元直接在芯片上培养。集成电路通过纳米电极向每个耦合神经元发送电流,打开膜上的小孔,形成细胞内通道。同时,该集成电路还放大了纳米电极通过小孔接收到的神经元电压信号。

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“通过这种方式,我们结合了细胞内记录的高灵敏度和现代电子芯片的并行性,”化学和化学生物与海洋学系的博士后杰弗里·阿博特(Jeffrey Abbott)说,他也是这篇论文的第一作者。

在实验中,该阵列在细胞内记录了1700多个大鼠神经元。仅仅20分钟的录音就让研究人员对神经元网络进行了前所未有的观察,并让他们绘制了300多个突触连接的图谱。

“我们也用这种高通量,高精度的芯片测量的影响药物在大鼠神经元突触连接网络,现在我们正在开发一个圆片规模系统为高通量药物筛选神经系统疾病如精神分裂症、帕金森氏症、自闭症、阿尔茨海默病,和上瘾,”艾伯特说。

该作品还由叶天洋、凯斯·克列涅克、罗纳·s·格特纳、史蒂文·班、金友斌、秦玲和吴文轩共同执笔。

这项研究得到了三星电子高级技术研究所、Catalyst基金会、美国陆军研究办公室、美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院以及戈登和贝蒂摩尔基金会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/09/electronic-chip-can-perform-intracellular-recording-from-thousands-of-connected-neurons-simultaneously/

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