工程师们通过记录神经元来精确定位突触连接
人类的思想和梦境是如何从大脑中约100万亿个突触的电脉冲中产生的，这是一个谜。莱斯大学的神经工程师Chong Xie梦想着通过创建一个系统来改变这一现状，该系统可以记录大脑中所有的电活动。
在最近发表的一项研究中自然生物医学工程谢和他的同事介绍了他们在这方面的最新成就，一种3D电极阵列，可以让他们根据大脑的毫秒级进化记录，绘制出活体大脑中多达100万个潜在突触链接的位置和活动电脉冲在一立方毫米的脑组织中有成千上万的神经元。
“这项工作的新奇之处在于记录密度他是莱斯大学电子与计算机工程副教授，也是“莱斯神经工程计划”的核心成员。“大脑中的微电路非常神秘。我们没有很多方法来绘制它们的活动，尤其是在体积上。我们希望提供非常密集的皮层记录，因为这些记录在科学上对理解大脑回路的工作方式非常重要。”
谢与莱斯大学和加州大学旧金山分校的同事合作进行了这项研究，包括加州大学旧金山分校的罗兰·弗兰克和莱斯大学的栾澜。
神经元很小。每立方毫米的脑组织含有大约10万个。这种密度对人类和其他哺乳动物来说大致相同，包括谢实验室的实验对象啮齿类动物。大脑的处理能力来自神经元之间的突触连接。突触相连的神经元对由叫做轴突的狭窄组织桥连接，轴突的直径只有百万分之一米。
谢的团队花了数年时间开发一种叫做纳米电子线(NET)的材料，这种材料很薄，具有超柔韧性和生物相容性，具有制作微创电极植入物的三种特性。在之前的研究中，谢的团队已经展示了可以植入多达128个电极的紧密排列的NET阵列的技术。研究人员还表明，他们的阵列可以在原地停留长达10个月，记录附近神经元的脉冲峰值电流或动作电位。
“当神经元火动作电位，它们会发出非常微弱的电信号。”谢说。“为了捕捉信号，你必须将电极放置在离每个神经元非常近的地方。通常，这意味着距离小于100微米。”
几十年来，使用电极来记录神经尖峰一直是神经科学领域的主要技术，但电极材料的进化逐渐将神经电极的植入从高度侵入性的操作转变为不会造成可测量组织损伤的操作。
谢的实验室的主要重点之一是扩大其植入阵列的尺寸。在这项新研究中，谢和他的同事，包括该项目的主要研究生之一朱汉林，在1立方毫米的脑组织中植入了1024个NET电极阵列。
“我们试图测量的主要信号是来自神经元的电峰值，”谢说。“这就是他们交流的方式。我们非常关心并非常想了解的一件事是神经元是如何连接的。”
谢说，目前还没有直接的方法来探测突触连接。
“轴突可以很长，每个神经元可以由成千上万个其他神经元连接起来，”他说。“这是一个非常非常混乱的网络。探索它是一项极具挑战性的任务，尤其是当大脑还在工作时。”
新电极阵列的密度，以及它捕捉单个神经元电峰值毫秒到毫秒的变化的能力，使谢和他的合作者能够破译神经元对之间潜在的突触链接。
“当突触工作时，当你观察两个神经元的放电活动时，你通常会看到一个典型的模式，”谢说。
他说，从突触前神经元开始的电脉冲沿着轴突向下传播并激活突触后神经元需要一段时间。
他说:“我们记录了很多很多的峰值，然后我们需要对峰值进行分类，并将每个峰值归为单个神经元。”“我们知道每个电极或通道的位置。每个通道每次记录的神经元不超过几个。每个神经元通常也被一个以上的接触记录。所以，你可以做类似于三角测量的事情来确定单个神经元的位置。”
一旦神经元被映射出来，计算它们之间的距离就相对容易了，由此计算出突触激活的传播时间。
这个1024个电极阵列使谢的团队在被研究的立方毫米脑组织中，每100个神经元大约有一个电极。该实验室正致力于创建密度更大的阵列，在相同的体积中装入更多的电极。
尽管我们的大脑通常消耗的能量与身体所能提供的能量差不多，但人类大脑中的绝大多数神经元都是未被使用的。神经科学家还没有完全理解为什么大脑有这么多未使用的神经元，谢说这是他的团队在设计他们的电极数组。
他说:“我希望尽可能多地捕捉互动。”“我认为我们不需要1比1的电极比例神经元捕捉所有的互动，这确实是我的梦想。”
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