电子芯片允许突触连接被高层次映射

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

哈佛大学的科学家说，他们已经开发出一种电子芯片，可以同时从数千个连接的神经元中进行高灵敏度的细胞内记录。在自然生物医学工程杂志上发表的这项进展(“ 用于从数千个连接的神经元中获取细胞内记录的纳米电极阵列 ”)使他们能够以前所未有的水平绘制突触连接，从而确定数百个突触连接。

电子芯片允许突触连接被高层次映射

“目前的电生理或光学技术无法可靠地从几十个神经元中同时进行细胞内记录。在这里，我们报告了一种纳米电极阵列，它可以同时从数千个体外连接的哺乳动物神经元中获得细胞内记录。该阵列由在纳米芯片上制造的4,096个纳米级粗糙度的铂黑电极组成，该芯片单片集成4,096个微尺度放大器，可配置为伪电流钳位模式(用于并发电流注入和电压记录)或伪电压钳位模式(用于并发电流)电压施加和电流记录)，”调查人员写道。

“我们在伪电压钳位模式下使用该阵列来测量药物对离子通道电流的影响。在伪电流钳模式下，阵列在细胞内记录了来自数千个神经元的动作电位和突触后电位。此外，我们从细胞内记录了19分钟的1,700多个神经元中绘制了300多种兴奋性和抑制性突触连接。这种高通量的细胞内记录技术可以有益于功能连接套图谱，电生理筛选以及神经网络的其他功能询问。”

“我们将敏感性和并行性结合在一起，可以使基础生物学和应用神经生物学都受益，包括功能性连接体构建和高通量电生理筛选，” Park Hong博士，Mark Hyman Jr.化学教授兼物理学教授和该论文的高级作者。

Gordon McKay教授Donhee Ham补充说：“通过长期以来广受欢迎的细胞内记录并行化实现的生物突触网络映射，也可以为机器智能提供新的策略，以构建下一代人工神经网络和神经形态处理器。”约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的应用物理和电气工程专业，也是该论文的共同资深作者。

研究人员使用与计算机微处理器相同的制造技术开发了该芯片。该芯片在其表面上具有密集排列的垂直站立的纳米级电极，这些电极由下面的集成电路操作。每个纳米电极都涂有铂金粉，具有粗糙的表面纹理，从而提高了其传递信号的能力。

神经元直接培养在芯片上。集成电路通过纳米电极向每个耦合的神经元发送电流，以在其膜上开小孔，从而形成细胞内通路。同时，同一集成电路还放大了纳米电极通过孔从神经元拾取的电压信号。

“通过这种方式，我们结合了细胞内记录的高灵敏度和现代电子芯片的并行性，”化学和化学生物学与SEAS系博士后研究员Jeffrey Abbott博士说，该论文的第一作者。

在实验中，该阵列在细胞内记录了1,700多个大鼠神经元。二十分钟的录音使研究人员了解了神经元网络，并允许他们绘制300多个突触连接。

“我们还使用了这种高通量，高精度芯片来测量药物对大鼠神经元网络中突触连接的影响，现在我们正在开发一种晶圆级系统，用于高通量药物筛查神经系统疾病(例如精神分裂症) ，帕金森氏症，自闭症，阿尔茨海默氏病和成瘾疾病。”雅培说。