如:把一个纠缠不清的问题理清楚

机器正逐渐适应我们的细胞。嵌入式传感器记录神经元如何以及何时放电;电极激发心脏细胞跳动或脑细胞放电;类似神经元的装置甚至可以促进植入大脑后更快的再生。

不久,所谓的脑-机接口可以做得更多:监测和治疗帕金森病等神经系统疾病的症状,为设计人工智能提供蓝图,甚至实现脑-脑沟通。

为了实现所有这些甚至更多的功能,设备需要一种方法来潜入我们细胞的深处进行侦察。我们对神经元的工作原理了解得越多,我们就可以用我们的机器模拟、复制和治疗神经元。

现在,在《自然-纳米技术》杂志上发表的一篇论文中,约书亚·弗里德曼和贝丝·弗里德曼大学教授查尔斯·m·利伯(Charles M. Lieber)介绍了他最初用于细胞内记录的纳米尺度设备的最新进展。九年后,利伯和他的团队设计了一种方法,可以同时制造成千上万个这样的设备,创造出一支纳米规模的军队,可以加快研究我们细胞内部发生了什么。

在利伯的研究之前,类似的设备面临着一个金发姑娘的难题:太大,它们会记录内部信号,但会杀死细胞。它们太小,无法穿过细胞膜——记录结果是嘈杂和不精确的。

利伯的新纳米线刚刚好。在2010年的设计中,原装的v型芯片的底部有一个纳米级的v型尖端和一个晶体管。这种设计可以穿透细胞膜,在不破坏电池的前提下发回准确的数据。

但有一个问题。硅纳米线比宽纳米线要长得多,这使得它们摇摆不定,而且很难缠结。“它们就像煮熟的面条一样柔韧,”艺术与科学研究生院化学系博士生、利伯实验室成员张安琦(Anqi Zhang)说。

为了创造出最初的设备,实验室成员必须一次捕获一根纳米线,找到V型臂的每一条,然后把导线编织进录音设备。两款设备的制作耗时两到三周。“这是一项非常乏味的工作,”张说。

但是纳米线并不是一次制成一根;它们是一起做的,就像它们看起来的样子:煮熟的意大利面。利用纳米团簇催化的汽液固相结合的方法,利伯创造了第一根纳米线,研究小组建立了一个电线可以自己发芽的环境。他们可以预先确定每根电线的直径和长度,但不能确定一旦准备好电线的位置。即使它们一次能生长出成千上万甚至几百万根纳米线,最终的结果也是一团乱麻。

A U-shaped nanowire pierces the membrane of a neuron一根u型纳米线穿过神经元的细胞膜。由利伯研究小组提供

解决方案?利伯和他的团队为他们的松面条设计了一个陷阱:他们在硅片上做了一个u型的沟槽,然后在表面梳理纳米线。精梳的过程将这些杂乱的纳米线解开,并将每根纳米线沉积成一个整齐的u型孔。然后,每个U型曲线得到一个微型晶体管,类似于v型器件的底部。

通过这种梳理方法,利伯和他的团队可以在过去仅仅制造一对纳米线的时间内完成数百个纳米线设备。张说:“因为它们排列得很好,很容易控制。”

到目前为止,张和她的同事们已经使用u型纳米设备记录了培养的神经细胞和心肌细胞的细胞内信号。纳米线表面覆盖着一种类似细胞膜的物质,它能以最小的努力或对细胞的损伤穿过这个屏障。而且他们可以像他们最大的竞争对手——膜片钳电极一样精确地记录细胞内的振动。

膜片钳电极大约比纳米线大100倍。顾名思义,这种工具会卡住细胞膜,造成不可逆转的损伤。膜片钳电极可以捕获细胞内电信号的稳定记录。但是,张说,“录音之后,细胞死亡。”

利伯团队的u型纳米设备对细胞宿主更友好。“它们可以同时插入多个细胞而不会造成损伤,”张说。

目前,这些设备非常温和,在录下大约10分钟后,细胞膜就会把它们挤出来。为了在他们的下一个设计中扩展这个窗口,研究小组正在考虑在顶端添加一些生物化学胶水,或者使边缘粗糙化,这样金属丝就能附着在薄膜上。

与膜片钳相比,纳米级设备还有一个优势:它们可以同时记录更多的细胞。有了这种夹子,研究人员一次只能收集一些细胞记录。在这项研究中,张同时记录了多达10个细胞。她表示:“潜在的影响可能会大得多。”它们一次能记录的细胞越多,就越能看到细胞网络是如何相互作用的,就像它们在活体中所做的那样。

在扩展纳米线设计的过程中,研究小组还证实了一个长期存在的理论,称为曲率假说。在利伯发明了第一根纳米线之后,研究人员推测纳米线尖端(V或U的底部)的宽度会影响细胞对导线的反应。在这项研究中,研究小组用多个U形曲线和晶体管尺寸进行了实验。结果证实了最初的假设:细胞像一个窄的尖端和一个小晶体管。

“对包括我们在内的许多人来说,科学的美妙之处在于,它面临着推动假设和未来工作的挑战,”利伯说。有了可扩展性的挑战,该团队希望捕捉到更精确的记录,也许是在亚细胞结构中,并记录活的细胞。

但对利伯来说,一个大脑机器的挑战比其他所有挑战都更具吸引力:“把半机器人变成现实。”

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