從活著的大腦神經(jīng)元內(nèi)部記錄電信號可以揭示有關(guān)該神經(jīng)元功能及其與大腦其他細胞的協(xié)調(diào)方式的大量信息。但是，執(zhí)行這種記錄非常困難，因此世界上只有少數(shù)的神經(jīng)科學實驗室可以這樣做。為了使這項技術(shù)更廣泛地應(yīng)用，麻省理工學院的工程師們現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出一種方法，可以使用一種計算機算法來自動化該過程，該算法可以分析顯微鏡圖像并將機器人手臂引導至目標細胞。

這項技術(shù)可以讓更多的科學家研究單個神經(jīng)元，并了解它們?nèi)绾闻c其他細胞相互作用，從而實現(xiàn)認知，感覺知覺和其他大腦功能。研究人員還可以使用它來了解有關(guān)腦部疾病如何影響神經(jīng)回路的更多信息。

知道神經(jīng)元如何交流是基礎(chǔ)和臨床神經(jīng)科學的基礎(chǔ)。我們的希望是，這項技術(shù)將使您能夠從神經(jīng)計算或疾病狀態(tài)的角度觀察細胞內(nèi)部正在發(fā)生的事情。”麻省理工學院生物工程與腦與認知科學副教授埃德·博伊登(Ed Boyden)說道。麻省理工學院媒體實驗室和麥戈文腦科學研究所的成員。

博伊登(Boyden)是該論文的高級作者，該論文發(fā)表在《神經(jīng)元》(Neuron)雜志上 。該論文的主要作者是麻省理工學院的研究生Ho-Jun Suk。

精確指導

30多年來，神經(jīng)科學家一直在使用一種稱為膜片鉗的技術(shù)來記錄細胞的電活動。這種方法涉及到使一個細小的空心玻璃移液管與神經(jīng)元的細胞膜接觸，然后在膜上開一個小孔，通常需要一個研究生或博士后幾個月才能學習。學會在活的哺乳動物大腦中的神經(jīng)元上執(zhí)行此操作更加困難。

膜片鉗夾有兩種類型：“盲法”(非圖像引導)方法，這種方法的局限性是因為研究人員無法看到細胞的位置，只能從移液器首先遇到的任何細胞中進行記錄，以及一種圖像引導的方法。允許將特定的細胞作為目標。

五年前，Boyden及其在MIT和Georgia Tech的同事(包括合著者Craig Forest)設(shè)計了一種使盲目式補丁補丁自動實現(xiàn)的方法。他們創(chuàng)建了一種計算機算法，該算法可以基于對稱為電阻抗的屬性的測量來將移液器引導至細胞，這反映了電流從移液器中流出的困難程度。如果周圍沒有電池，則電流流動且阻抗低。當尖端碰到電池時，電流也不會流動，阻抗也會上升。

移液器一旦檢測到細胞，便可以立即停止移動，防止其刺穿膜。然后，真空泵施加吸力以與細胞膜形成密封。然后，電極可以穿透膜以記錄細胞的內(nèi)部電活動。

研究人員使用這種技術(shù)獲得了很高的準確度，但仍不能用于靶向特定細胞。博伊登說，對于大多數(shù)研究而言，神經(jīng)科學家都有他們想學習的特定細胞類型。

“這可能是自閉癥受損的細胞，或者是精神分裂癥發(fā)生改變的細胞，或者是存儲記憶時活躍的細胞。這就是您想知道的單元，”他說。“在找到有趣的細胞之前，您不希望修補一千個細胞。”

為了實現(xiàn)這種精確的目標定位，研究人員著手使圖像引導的膜片鉗制自動化。這種技術(shù)很難手動執(zhí)行，因為盡管科學家可以通過顯微鏡看到目標神經(jīng)元和移液管，但他或她必須補償當移液管進入大腦時附近細胞會移動這一事實。

Suk說：“這幾乎就像試圖擊中大腦內(nèi)部的活動目標，這是一個脆弱的組織。” “對于機器而言，這很容易，因為它們可以跟蹤細胞的位置，可以自動移動顯微鏡的焦點，并且可以自動移動移液器。”

通過結(jié)合幾種成像處理技術(shù)，研究人員提出了一種算法，可將移液器引導至目標細胞的約25微米范圍內(nèi)。到那時，系統(tǒng)開始依賴圖像和阻抗的組合，與單獨的任何一個信號相比，該組合在檢測移液器和目標細胞之間的接觸時更加準確。

研究人員使用雙光子顯微鏡對細胞成像，這是一種常用技術(shù)，該技術(shù)使用脈沖激光將紅外光發(fā)送到大腦中，照亮已經(jīng)被設(shè)計用來表達熒光蛋白的細胞。

使用這種自動方法，研究人員能夠成功地從兩種類型的細胞中進行靶向和記錄，一類是在其他神經(jīng)元之間傳遞信息的中間神經(jīng)元，還有一組稱為錐體細胞的興奮性神經(jīng)元。他們?nèi)〉昧舜蠹s20%的成功率，這與訓練有素的人工完成該過程的科學家的表現(xiàn)相當。

展開電路

這項技術(shù)為深入研究特定神經(jīng)元的行為鋪平了道路，這可以揭示它們的正常功能以及它們在阿爾茨海默氏癥或精神分裂癥等疾病中的表現(xiàn)。例如，研究人員在本文中研究的中間神經(jīng)元以前與阿爾茨海默氏癥有關(guān)。在最近由麻省理工學院皮克爾學習與記憶研究所所長蔡禮輝(Li-Huei Tsai)領(lǐng)導，與博伊登(Boyden)合作進行的小鼠研究中，據(jù)報道，在海馬中樞神經(jīng)元中誘導特定頻率的腦電波振蕩可能會有所幫助清除與阿爾茨海默氏病患者相似的淀粉樣斑塊。

“您真的很想知道這些細胞中正在發(fā)生什么，”博伊登說。“它們是否向特定的下游細胞發(fā)出信號，然后有助于治療結(jié)果?大腦是一個回路，要了解回路的工作原理，您必須能夠監(jiān)控回路中的各個組件，而它們?nèi)栽谄鹱饔谩?rdquo;

這種技術(shù)還可以研究神經(jīng)科學中的基本問題，例如在大腦做出決定或回憶記憶時各個神經(jīng)元如何相互作用。

哈佛醫(yī)學院神經(jīng)生物學教授貝爾納多·薩巴蒂尼(Bernardo Sabatini)說，他有興趣將這種技術(shù)應(yīng)用于他的實驗室，在那里學生們花費大量時間記錄實驗室培養(yǎng)皿中生長的神經(jīng)元的電活動。

薩巴蒂尼(Sabatini)說：“讓非常聰明的學生來完成機器人可以完成的繁瑣任務(wù)是很愚蠢的。” “我很高興機器人可以做更多的實驗，因此我們可以專注于實驗的設(shè)計和解釋。”

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