研究人员利用一块搭载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的发展。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，从而更深入地揭示大脑网络的功能。

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实现高灵敏度的细胞内记录。与之前的设计相比，新方法捕获的突触连接数量增加了200倍，并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强大工具。研究人员正致力于将该系统应用于活体大脑，以进一步理解实时神经通信。

关键发现

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

2. 提高记录灵敏度：微孔电极实现了90%的细胞内记录成功率，信号质量显著优于之前的设计。

3. 未来活体应用：研究人员计划将该技术应用于活体动物，以实时映射神经活动。

研究背景

哈佛大学的研究人员利用一块硅芯片，成功绘制了大鼠神经元中超过70,000个突触连接。这项研究发表在《自然·生物医学工程》上，标志着神经元记录技术的重大进展，可能帮助科学家更接近绘制大脑的详细突触连接图谱。

大脑的高级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，不仅要显示哪些神经元相互连接，还要显示每个连接的强度。

尽管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。

技术突破

由哈佛大学工程与应用科学学院的Donhee Ham教授领导的研究团队，开发了一块搭载4,096个微孔电极的硅芯片，实现了对培养在芯片上的大鼠神经元的并行细胞内记录。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。

该研究基于团队2020年的突破性设备——一块搭载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实现细胞内记录，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。

微孔电极的优势

微孔电极的设计类似于膜片钳电极，本质上是一个带有孔的玻璃吸管。研究团队通过微孔电极向神经元注入小电流，以并行化细胞内记录。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。

新设计超出了团队的预期。在4,096个微孔电极中，平均有超过3,600个（即90%）与神经元实现了细胞内耦合。从这些网络范围内的细胞内记录数据中，团队提取了70,000多个可能的突触连接，而之前的纳米针电极阵列仅能提取约300个。

数据分析与未来方向

研究团队不仅成功实现了大规模并行细胞内记录，还开发了分析海量数据的方法。他们将这些突触连接分为电突触连接和化学突触连接，并进一步将化学突触连接分为抑制性、弱/无事件兴奋性和强/有事件兴奋性连接，总体错误率约为5%。

Ham教授表示：“我们现在正致力于开发一种可以应用于活体大脑的新设计。”

研究意义

这项研究为大规模神经元网络的功能连接图谱绘制迈出了重要一步。通过结合微孔电极和硅芯片中的集成电子技术，研究人员能够以高灵敏度和高并行性记录神经元活动，为理解大脑功能和疾病机制提供了新的工具。

研究团队与资助

研究团队包括化学与化学生物学系的Rona S. Gertner和物理学教授Hongkun Park。该研究得到了三星电子三星高级技术研究所的支持。

参考文献

Donhee Ham et al., “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array,” Nature Biomedical Engineering.