新的硅探针可以同时记录数百个神经元的活动

想要跟踪神经系统细胞对话的神经科学家们很快就能获得一项易于使用的技术，该技术可以同时监测大脑中数百个不同位置的神经活动，这要感谢霍华德·休斯医学研究所(HHMI)、艾伦脑科学研究所、盖茨比慈善基金会和惠康基金会资助的一项重大工程项目。新的探测器有望让科学家更清楚地了解大脑的不同部分是如何协同工作来处理信息的。

在由HHMI的Janelia研究校园的研究人员领导的550万美元的合作中，Janelia、艾伦研究所和伦敦大学学院的科学家(由盖茨比和惠康资助)在过去四年中与imec(比利时鲁汶的国际纳米电子研究中心)的工程师合作，建造和测试强大的新设备，用于检测活体动物大脑中的神经活动。这种被称为神经像素探针的设备在啮齿动物大脑的大范围内放置了数百个记录电极，这样研究人员就可以在一次实验中收集到比目前其他技术所允许的更多有意义的数据。神经像素探针预计将于2018年年中供研究实验室购买。新的探测器发表在2017年11月9日出版的一篇文章中自然．

的数据中的一些重点自然论文:

• 这是第一个大型(10毫米)，密集(100个位点/毫米)植入式神经记录装置的报道
• 通过每个探针，科学家们看到了数百个分辨率良好的单个神经元信号痕迹
• 探头可以同时记录大脑的多个区域
• 研究人员使用两个神经像素探针记录了700多个神经元
• 探针产生了高神经元计数和优秀的信噪比性能，不需要特殊的技术

神经像素合作项目负责人、Janelia的高级研究员蒂莫西·哈里斯(Timothy Harris)说，在一个比人类头发还细、但足以同时访问啮齿动物大脑许多区域的探针上放置了近1000个电子传感器，这项新技术可以极大地加速神经科学研究。“你可以以更高的保真度和更低的难度从多个大脑区域[检测到]大量神经元的活动，”他说。

来自该联盟的科学家将在2017年11月11日至15日在华盛顿举行的神经科学学会年会上展示使用原型Neuropixels探针收集的数据。他们的研究结果表明，这些探针与新的数据分析方法一起，可以用来跟踪不同大脑区域中数百甚至数千个单个细胞的活动。目前有超过400个原型神经像素探针在世界各地的研究中心进行测试，其中包括20个隶属于盖茨比和惠康的实验室，如Sainsbury惠康中心，8个HHMI实验室，并正在被艾伦研究所的研究人员大规模使用。

“在艾伦脑科学研究所，我们的主要目标之一是破译大脑使用的细胞级代码，”艾伦脑科学研究所总裁兼首席科学家克里斯托弗·科赫(Christof Koch)说。“Neuropixels探针代表了测量技术的重大飞跃，将允许最精确地理解大型神经细胞联盟如何协调产生行为和认知。”

“作为神经科学家，我们需要做的是了解遍布大脑的大量神经元是如何协同工作的，”神经科学家Matteo Carandini说。卡兰迪尼和他的同事肯尼斯·哈里斯在伦敦大学学院(UCL)经营着一个实验室，该实验室的团队一直在研究神经像素探测器的原型，并帮助指导它们的开发。Carandini说，直到最近，人们才有可能测量大脑中特定位置内单个神经元的活动，或者揭示更大的区域活动模式，但不能同时做这两件事。“只要你适当地放置它们，你就可以真正研究大脑的不同部分是如何在神经元水平上共同工作的。这将改变游戏规则，”他表示。

Janelia小组负责人Albert Lee的团队也一直在使用Neuropixels原型，并对其开发提供反馈，他说，同时从许多不同的大脑区域收集数据的能力也将减少收集动物执行特定任务时大脑中发生的总体情况所需的实验数量。他说，一个单一的实验现在可以取代一系列专注于不同大脑区域的实验。

神经像素探针类似于电生理学探针，神经科学家几十年来一直使用这种探针来检测活体动物大脑的细胞外电活动，但它们融合了两个关键的进步。这种新型探测器大约和老鼠的大脑一样长——因此它们可以同时穿过并收集大脑多个不同区域的数据。记录电极沿着长度密集排列，这使得研究人员更容易确定大脑活动的细胞来源。最后，每一个新探头都包含了一个几乎完整的记录系统——减少了硬件尺寸、成本和减少了数百根输出线。

伦敦大学学院塞恩斯伯里·惠康中心的约翰·奥基夫(John O'Keefe)是惠康和盖茨比慈善基金会赠款的首席研究员，他说他从一开始就渴望英国参与这个项目。奥基夫说:“我很清楚，如果这些探测器成功了，它们将把我们将单细胞活动和行为联系起来的能力提升到一个新的水平。”“它们在与空间记忆相关的皮层区域，如海马体和内嗅皮层，尤其有用。”

“神经像素”项目于2013年启动，其雄心勃勃的目标是大幅提升检测大脑电活动的技术。尽管一些实验室确实有能力同时记录数百个神经元的活动，但这样的实验成本高，技术难度大，而且当时大多数研究人员可用的电生理学探针有16-64个传感器，限制了用户在实验中可以监测的细胞数量。

哈里斯和他的同事们一致认为，是时候大干一场了。哈里斯说:“Janelia是一个人们愿意挑战极限的地方。Janelia的科学家们不再考虑如何在现有的探测器上增加几个传感器，而是开始讨论设计新一代的探测器，可以同时记录数百个神经点，然后制造足够多的探测器，以负担得起的成本供应神经科学界。

哈里斯咨询了半导体工程师，他们告诉他这个想法是可行的。但从一开始就很清楚，开发成本将会很高。哈里斯说，制造数百个电极，并将它们放置在一个足够细长的设备上，可以插入活体动物的大脑，这完全超出了学术设施的能力。他解释说:“有了新探测器，我们并没有真正处于技术的前沿，但我们远远超出了研究实验室可用的制造能力。”Janelia的神经科学家想要的探针必须由专业的半导体工程师使用最先进的设备制造。

哈里斯说，对于一个典型的政府拨款机构来说，这个项目可能看起来很有风险。“我们需要500万美元——只做一件事，”他说。所以他求助于其他渠道。认识到这是一个加快神经科学研究步伐的机会，HHMI、艾伦研究所、盖茨比慈善基金会和惠康基金会同意资助这项努力。

最先进的硅微电路制造商Imec同意设计和制造这些设备。这家非营利性研究中心拥有该项目所需的专业知识和设施，但通常不会以工业规模生产产品。哈里斯说:“他们擅长制造和设计东西，而且他们愿意考虑小批量产出的项目。”

Imec首席科学家Barundeb Dutta表示:“Imec在模拟设计、深度硅蚀刻、生物兼容电极制造和专有SOI CMOS工艺方面的专业知识，使我们成为全球少数能够制造此类探针的研发机构之一。”“探测器的设计和制造方式，以及它如何已经在改变神经科学，指出了一种新模式的相关性和前景，在这种新模式中，拥有深厚专业知识的私人研究基金会，资助突破性工具的设计和制造，然后推动基础研究。”