摘要

研究人员利用一块包含4,096个微孔电极的硅芯片，成功绘制了大鼠神经元中超过70,000个突触连接，显著推进了神经元记录技术。与传统电子显微镜仅能可视化突触不同，该方法还能测量连接强度，为大脑网络功能提供了更深入的见解。

该芯片模仿了膜片钳电极，但规模更大，能够同时从数千个神经元中进行高灵敏度的细胞内记录。与之前设计的纳米针电极相比，新方法捕获的突触连接数量增加了200倍，揭示了每个连接的详细特征。

这项技术可能彻底改变神经映射领域，为研究大脑功能和疾病提供了强大工具。研究人员目前正在努力将该系统应用于活体大脑，以进一步理解实时神经通信。

关键事实

• 大规模神经映射：新硅芯片记录了约2,000个神经元中的70,000多个突触连接，远超以往方法。

• 提高记录灵敏度：微孔电极实现了90%的细胞内记录成功率，信号质量较之前设计大幅提升。

• 未来活体大脑应用：研究人员计划将该技术应用于活体动物，实现实时神经活动映射。

• 来源：哈佛大学

研究内容

哈佛大学的研究人员利用一块能够记录大量神经元中微小但关键的突触信号的硅芯片，绘制并分类了约2,000个大鼠神经元中的70,000多个突触连接。这项研究发表在《自然·生物医学工程》上，是神经元记录领域的重大进展，可能帮助科学家更接近绘制大脑的详细突触连接图谱。

高阶大脑功能被认为源于神经元之间的连接方式。神经元之间的接触点称为突触，科学家试图绘制突触连接图谱，不仅显示哪些神经元相互连接，还显示每个连接的强度。

虽然电子显微镜已成功用于绘制突触连接的视觉图谱，但这些图像缺乏连接强度的信息，因此无法揭示神经元网络的最终功能。相比之下，膜片钳电极作为神经元记录的黄金标准，能够有效进入单个神经元，以高灵敏度记录微弱的突触信号，从而发现突触连接并测量其强度。

科学家长期以来一直尝试将这种高灵敏度细胞内记录应用于大量神经元，以测量和表征大量突触信号，从而绘制带有连接强度注释的图谱。然而，他们很少能同时从多个神经元中获取细胞内记录。

由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的Donhee Ham教授领导的研究团队，开发了一块包含4,096个微孔电极的硅芯片，对培养在芯片上的大鼠神经元进行了大规模并行细胞内记录。从这些前所未有的记录数据中，他们提取了约2,000个神经元中的70,000多个突触连接。

技术突破

这项研究基于团队2020年的突破性设备——一块包含4,096个垂直纳米针电极的硅芯片。在之前的设备中，神经元可以包裹在针尖上以进行细胞内记录，并通过大量电极实现并行化。在最佳情况下，他们可以从记录数据中提取约300个突触连接，这已经远超膜片钳记录的能力。

基于这一前提，团队认为他们可以做得更好。SEAS Ham团队的共同第一作者Jun Wang和Woo-Bin Jung领导了硅芯片上微孔电极阵列的设计和制造、电生理记录和数据分析。他们通过电极注入小电流，温和地打开细胞，以实现并行化细胞内记录。

Wang表示，微孔设计与膜片钳电极类似，后者本质上是一个带有孔的玻璃移液管。微孔电极不仅比垂直纳米针电极更好地与神经元内部耦合，而且更容易制造。这种可访问性是这项工作的另一个重要特点。

研究结果

新设计超出了团队的预期。平均而言，4,096个微孔电极中有超过3,600个（即90%）与神经元实现了细胞内耦合。团队从这些前所未有的网络范围细胞内记录数据中提取的突触连接数量激增至70,000个，而之前的纳米针电极阵列仅能提取约300个。

记录数据的质量也更高，使团队能够根据每个突触连接的特征和强度进行分类。Jung表示，硅芯片中的集成电子器件与微孔电极同样重要，提供了精细的电流以实现细胞内访问，并同时记录细胞内信号。

未来方向

Ham表示，在成功实现大规模并行细胞内记录后，最大的挑战之一是如何分析海量数据。团队已经取得了长足进展，从数据中获得了对突触连接的深入理解。目前，他们正在开发一种可部署在活体大脑中的新设计。

研究资助

该研究得到了三星电子三星高级技术研究所的支持。

关于这项AI与神经科学研究

• 作者：Anne Manning

• 来源：哈佛大学

• 联系人：Anne Manning – 哈佛大学

• 原始研究：封闭访问。“Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” by Donhee Ham et al. Nature Biomedical Engineering