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哈佛大学研发电子芯片,可同时记录数千神经元的突触连接

2019-10-07  孙维宏的...
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在电极阵列上方培养的神经元的伪彩扫描电镜图像。实际实验中的神经元密度要高得多,有3~6层细胞,覆盖了整个电极阵列。
我们的脑细胞或神经元是如何利用电信号来沟通并协调大脑的高级功能的?这一直是科学界最大的问题之一。几十年来,研究人员都在使用电极来监测并记录这些信号。作为一种置于薄玻璃管中的电极,膜片钳能够穿透神经元,记录细胞内的突触信号。它曾在20世纪80年代彻底改变了神经生物学,但是这个工具只能同时测量大约10个细胞,缺乏记录神经元网络的能力。
现在,哈佛大学的研究人员开发了一种电子芯片,可以以高灵敏度同时记录数千个相连的神经元的信号。这一突破使科学家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。相关论文发表在《自然·生物医学工程》杂志上。
“在这项研究中,敏感性和并行性的结合可以使基础神经生物学和应用神经生物学都从中受益,有助于功能连接体的构建和高通量的电生理筛选。”该论文的共同通讯作者、化学和物理学教授Mark Hyman Jr.说。
“这种细胞内记录的长期并行化使得生物突触网络的映射成为可能,也为机器智能构建下一代人工神经网络和神经形态处理器提供了一种新的策略。” 应用物理与电气工程的Gordon McKay教授说。
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电子芯片采用与计算机微处理器相同的制造技术。
研究人员利用与计算机微处理器相同的技术开发了这种电子芯片。该芯片的特点是其表面密集排列的纳米尺度的垂直电极,这些电极由底层的高精度集成电路操控。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。神经元直接培养在芯片上,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。“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。”第一作者Jeffrey Abbott说。
在实验中,该阵列在记录了1700多个大鼠神经元。仅仅20分钟的记录就让研究人员对神经元网络进行了前所未有的观察,并成功绘制了300多个突触连接的图谱。
“我们还用这种高通量、高精度的芯片测量了药物对大鼠神经网络突触连接的影响,现在我们正在开发一个晶片规模的系统,用于神经系统疾病的高通量药物筛选,如精神分裂症、帕金森氏症、自闭症、阿尔茨海默病和成瘾。” Abbott说。
科界原创
编译:花花
审稿:三水

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