2018年新技术：高通量电生理学

周婷111 2018-01-18

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通量方面的增加令电生理学进入了一个新时代！

电生理学（Eectrophysiology）已广泛用于记录大脑中的神经元活动。膜片钳（Patch-clamp）技术能帮助科学家们了解各个神经元性质，而电生理细胞外记录（extracellular recordings）则能用于评估多个神经元的活性。然而，这两种技术的通量都有限，不过近期光学记录（optical recording）技术的出现带来了新希望。

膜片钳并不容易操作，但是自动化程序可以改善这种方法。特别是图像导向性膜片钳机器人（image-guided patch–clamp robots）能增加靶向神经元记录的通量（Neuron 95，1037-1047，2017; Neuron 95,1048-1055，2017），不过目前这些机器人的潜力还有待探索。

另外，Neuropixels探针（Nature 551,232-236,2017）结合了光学和电学记录技术的优点，即经典微电极探针的高时间分辨率和光学记录的高神经元覆盖率。新探针拥有960个记录位点，其中384个可同时使用，能同时记录跨大鼠和小鼠不同脑区数百个神经元的活动，让研究人员了解大脑不同部分如何协同处理信息。

Neuropixels探针的这一通量比之前技术水平高出了一个数量级，并且能够高质量记录啮齿动物大脑中数百个单位神经元活动。目前，大约400个原型版本正在接受世界顶尖实验室中心检测。预计2018年，Neuropixels将以成本价面向世界各地科学家出售。

此外，Neuropixels探针也正在针对啮齿动物的电生理记录进行优化，科学家们也希望能进一步开发，将其功能扩展到其他系统，通过多节点探针增加记录单元的数量，为光遗传学实验增加光刺激功能。

这一技术令电生理学研究进入了一个新时代，因为它可以在行为动物的多个大脑区域以单个单位的分辨率收集数据，这将促进科学家们对大脑不同区域的神经元如何协同工作的了解，而且Neuropixels探针小巧轻便的设计也可以长时间记录动物的自由活动。

一旦Neuropixels和机器人膜片钳技术成为常规技术手段，这一研究领域将会突飞猛进，科学家们将能提出许多之前无法提出的问题，也许这将能改变光学手段评估神经元活性的过去历史，开启电生理学的复兴！

Neuropixels探针技术

这一探针由霍华德医学研究所（HHMI）、艾伦脑科学研究所、慈善和Wellcome基金会投资550万美元研发。长10mm（大致与小鼠或大鼠脑尺寸相当），截面宽70×20μm，每毫米覆盖100个记录点。探头可自动将检测到的电信号转换成数字信号便于计算分析。

目前，大约400个原型版本正在接受世界顶尖实验室中心检测。预计2018年，Neuropixels将以成本价面向世界各地科学家出售。仅使用2个Neuropixels探针，研究人员同时记录了小鼠5个脑区超过700个独立神经元。而且，这种探针可在自由移动的动物身上进行长达150天的连续实验。联盟科学家在华盛顿召开的神经科学协会年会上集中汇报Neuropixels探针原型的收集数据。国际大脑实验室（International Brain Laboratory）汇集了来自英国、美国、法国、瑞士和葡萄牙等国家的众多科研机构，他们都参与了使用Neuropixels探针探索小鼠觅食相关的许多不同脑区的研究。整合多个实验室的数据，通过同时记录小鼠执行一个任务时，来自1000个神经元的活动信号，科学家们首次在细胞水平上准确地测绘了整个大脑。

HHMI资深教职、Neuropixels国际合作项目的领导者Timothy Harris说：“你所做的每个行动和决定都涉及数百万神经元的相互作用，这项技术将使我们轻松分辨跨多脑区的神经元活动，有了它，将大大加快神经科学研究步伐。”

Wellcome研究员、伦敦大学学院神经科学家Matteo Carandini说：“了解大脑众多神经元如何工作是探索大脑奥秘的第一步。直到最近，人们才有能力在特定脑区测量单个神经元的活动或大范围测量区域性活动，但是这两种实验不能同时进行。