利用神经像素探针在人类皮层进行单神经元分辨率的大规模神经记录

2017年开发的一种新型探针可以前所未有地记录大脑活动，但只能在小型实验室动物身上。MGH的研究人员和同事们已经成功地使用改良版的探针来测量人类的大脑活动。通过这一改进工具获得的数据收集到的见解，可能对理解大脑在健康和疾病状态下的功能产生深远的影响。

　　

根据麻省总医院(MGH)的研究人员的一项研究，大脑细胞如何相互沟通仍然在很大程度上是一个谜，但一种以前所未有的清晰和精确记录神经元信号的探针可能有助于解开这些秘密。发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)杂志上的这些发现，可以为更好地理解大脑如何工作、神经系统疾病的起源等奠定基础。

2017年，比利时一家名为IMEC的数字技术公司与霍华德·休斯医学研究所(包括Janelia研究园区)合作，推出了神经像素探针，这是一种记录脑细胞或神经元活动的工具。“神经像素设备彻底改变了神经科学领域，”神经科学家和电生理学家Angelique Paulk博士说，她是MGH神经技术和神经恢复中心的研究员，也是这项研究的主要作者。

早期记录神经元活动的技术通常依赖于插入大脑的相对较大的电极。“他们可以一次采集数千个脑细胞的活动，但这产生了一个模糊的视图，”Paulk说。她用一个声音类比来描述旧设备的录音质量:想象一下，你站在一个人满为患的足球场中央，听着人群的欢呼声。相比之下，Neuropixels探针要小得多，但分辨率要高得多。“相反，这就像你能够记录数百个独立的声音，每个声音都有自己的麦克风”。

然而，最初的神经像素探针是作为一种研究工具设计的，用于小型实验室动物，如啮齿动物。神经科学家们立即对一种可以用来研究人类大脑的工具表示了兴趣，这种工具需要一些修改。例如，最初的神经像素探测器太脆弱，不能用于人类的大大脑，所以它必须做得更厚。不过，Paulk说，这种探针只有三根头发那么宽。

《自然-神经科学》的这篇报告的目标是开发一种技术，利用改良的神经像素探针来记录在手术室接受神经外科手术的人类患者的大脑活动。9名已经计划接受神经外科手术治疗几种不同疾病的患者同意允许MGH神经外科医生在手术过程中记录他们的大脑活动。

该团队包括癫痫专家Sydney Cash医学博士和神经外科医生Ziv Williams医学博士，他们都是MGH的成员，在人类使用Neuropixels探针时遇到了挑战，因为六次记录大脑活动的尝试都没有成功。然而，他们成功地记录了三名患者的大脑活动，其中一名正在接受癫痫治疗，而另外两名接受了为治疗运动障碍提供深部脑刺激的植入物。在其中一名患者中，研究小组记录了202个个体神经元的活动。

为什么记录单个神经元的行为很重要?“多亏了新的高分辨率工具，我们发现不同类型的细胞正在做非常有趣的事情，”Paulk说。例如，兴奋性神经元产生信号，而抑制性神经元减缓或停止信号。小探针已经可以记录一个或两个神经元的活动，“但这意味着你并没有真正捕捉到细胞类型的多样性，能够同时对200个细胞进行采样，告诉我们这些细胞是如何相互交流的。正是这种特殊的相互作用让我们的大脑回路正常工作。”

用神经像素探测器和其他工具解码神经元之间的通信，可能会对神经疾病(如癫痫)以及肿瘤细胞如何侵入大脑邻近细胞有新的发现，Paulk说，以及帮助开发工具，让残疾人用他们的大脑来操作电脑和机器人设备，让他们生活得更独立。最终，这项新技术可以为认知的本质提供宝贵的见解，比如我们如何形成思想和感知我们周围的世界。

文章标题

Large-scale neural recordings with single neuron resolution using Neuropixels probes in human cortex