新型硅芯片能记录大量脑活动

硅片上的微孔电极阵列(部分)。图片来源：美国哈佛大学

科技日报北京2月17日电 (记者张梦然)美国哈佛大学团队开发出一种创新性的硅芯片，能够记录大量神经元间突触信号的细微变化。利用该芯片，团队绘制并记录了2000个大鼠神经元之间的超过7万个突触连接。研究成果发表在最新的《自然·生物医学工程》杂志上，标志着神经元记录技术的重大突破，有助于人们深入理解大脑功能。

高阶大脑功能源于脑细胞或神经元之间的特定连接方式。神经元间的接触点称为突触，科学家致力于绘制这些突触连接图，不仅为了揭示哪些神经元相互连接，还需要评估每个连接的强度。在生成突触连接的图像方面，电子显微镜是一种有力工具，但它们无法提供关于连接强度的信息，这限制了人们对神经网络功能的理解。

相比之下，膜片钳电极是目前记录神经元活动的黄金标准，它能高效进入单个神经元内部，精确记录其突触信号，并据此判断突触连接的强度。然而，将这种技术应用于大规模神经元群的研究一直面临挑战。

在这项研究中，团队使用一块具有4096个微孔电极阵列的硅芯片，在芯片上培养的大鼠神经元中进行了大规模并行细胞内记录。通过这种方法，他们从大约2000个神经元中提取了超过7万个突触连接的数据。

团队通过向电极注入小电流来轻微打开细胞，实现高效的细胞内记录。微孔设计类似于传统的膜片钳电极，但比垂直纳米针电极更容易制造，而且与神经元内部耦合效果更好。实验结果超出了预期，在4096个微孔电极中，平均有超过3600个(即90%)实现了与顶部神经元的细胞内耦合。由此得到的高质量记录数据使科学家可以根据每个突触连接的特征和强度进行分类，这将极大推进人们对神经网络结构和功能的理解。

新工具的诞生总会推动一场认知革命，新观测手段也正在拓展我们对大脑的认知边界。此次，科研团队开发的新型电子芯片，成功记录下了大鼠脑细胞网络中神经元间突触信号的细微变化。这一表面上布满4000余个微孔电极阵列的芯片，仿佛细胞间的“听诊器”，记录着神经元之间的交流。有了这一技术，我们不仅获得了“脑地图”，还看到了不同道路上的“交通流量”。这让我们得以进一步了解神经网络的结构和功能，也为我们治疗脑部疾病打开了新视角。