高密度脑探针揭秘细胞独特电活动：行为背后的秘密

记录单个脑细胞如何参与支配行为的网络是一项艰巨的任务。名为Neuropixels的脑探针采用高密度硅阵列，使科学家能够从多种动物中收集电生理数据。这些动物包括鱼类、爬行动物、啮齿动物和灵长类动物，以及人类。

Neuropixels有多个版本，能够同时记录数百到数千个神经元的电活动。神经元是接收、处理和传递信息的神经细胞。

虽然收集的数据为感知和决策的神经基础提供了见解，但这些探针无法采样细微的脑结构。它们在分辨（单独区分）个别脑细胞周围的电场方面也存在局限。

新开发的探针Neuropixels Ultra克服了在单次实验中记录多个脑区数千个个体细胞的类型和活动的一些关键技术挑战。

该探头本质上是一个可植入的电压传感器相机，可以捕捉脑细胞电场的二维图像。

“我们开发了一种硅探头，其记录点比以往设计更小、更密集，”负责这项研究的尼克·斯坦梅茨教授说。斯坦梅茨是华盛顿大学医学院神经生物学和生物物理学的副教授。

斯坦梅茨实验室是国际脑实验室和神经像素联盟的成员。

这个项目汇集了来自美国多个神经科学和生物工程实验室的科学家，还有来自日本、德国、比利时、中国、挪威、英国和意大利的科学家。

该项目是美国国立卫生研究院“通过推进创新神经技术进行脑研究”（也称为BRAIN计划）的一部分。该计划旨在开发和应用创新技术，以绘制大脑电路并理解其功能，以及其他脑研究工具的开发。总体目标是呈现大脑的动态图像，展示个体细胞和复杂神经电路在时间和空间上的相互作用。

新的超高密度Neuropixels Ultra探针是在这方面迈出了重要的一步。

通过获取脑细胞周围电场的详细信息，这种新探针增强了科学家对个体细胞的检测和分类能力。

例如，研究人员对小鼠视觉皮层进行了记录——这是大脑后部的一个区域，负责处理和解释来自眼睛的信息。与其他版本的Neuropixels探头相比，科学家们能够检测到两倍数量的脑细胞。他们还能够将三种皮层细胞亚型彼此区分开，并与其他神经元区分开。能够检测特定的细胞亚型在研究大脑电路中是重要的。

因为探头从更小的区域收集数据，所以每个通道的噪声水平比早期的探头要高。但由于它采样了10倍更多的记录点，因此仍然提供了更好的数据质量。

Neuropixels Ultra在估计尖峰的空间位置方面更为精确，尖峰是脑细胞电冲动快速上升和突然下降的表现。它在将一个神经元的尖峰与附近神经元的尖峰区分开方面表现更好。这种空间精度有助于增加可排序的、对视觉刺激有反应的神经元数量。这些测量可以帮助科学家更准确地解码和追踪与视觉刺激相关的脑细胞表现。

研究人员还使用Neuropixels Ultra来确定小足迹细胞外尖峰在不同脑区以及小鼠以外的物种中的普遍性。这些动物有电鱼、胡须龙和辫子猕猴。

“这些小的空间特征，用低密度探针很难检测到，但用Neuropixels Ultra就能持续检测到，”科学家们观察到。他们还发现，基因识别的细胞类型的空间特征对每种细胞类型都是不同的。这些信息可以帮助确定存在哪些细胞及它们独特的电活动。

研究人员得出结论，新的探针和旧的探针之间存在权衡，这取决于实验室所进行的实验类型。尽管新的探针具有更小的探测点的大小和间距，但其开发者称其具有“前所未有”的分辨率。相比之下，旧探针的垂直记录范围更大。不过，研究人员指出，最近的发现“突显了提高探测点密度的电生理探针在广泛神经科学应用中的优势。”

论文的第一作者是Zhiwen Ye，他是华盛顿大学医学院Steinmetz实验室的博士后神经科学家，另一位是来自MindScope项目和神经动力学研究所，以及艾伦脑科学研究所行为组的Andrew M. Shelton。

更多信息请见： Zhiwen Ye等，超高密度Neuropixels探针改善神经记录中的检测和识别，Neuron（2025）。 DOI: 10.1016/j.neuron.2025.08.030