哈佛大学研究人员绘制了大鼠大脑中的70,000个突触连接

硅芯片助力绘制大脑突触连接图

哈佛大学的研究人员已经从大约2000个大鼠神经元中绘制并编录了7万多个突触连接，他们使用的硅芯片能够记录大量神经元中微小但具有指示性的突触信号。

　　

哈佛大学的研究人员从约2000个大鼠神经元中绘制并记录了超过7万个突触连接。他们使用的硅芯片能够检测大量神经元中微小但关键的突触信号。这项研究发表在《Nature Biomedical Engineering》杂志上，标志着神经元记录领域的一项重大突破，有望帮助科学家更接近绘制出详细的大脑突触连接图。

高阶大脑功能被认为源于脑细胞或神经元的连接方式。神经元之间的接触点称为突触，科学家们试图绘制突触连接图，不仅显示哪些神经元相互连接，还揭示每个连接的强度。

虽然电子显微镜已成功用于制作突触连接的视觉图像，但这些图像缺乏连接强度的信息，因此无法完全反映神经元网络的功能。相比之下，膜片钳电极是神经元记录的“金标准”，能够高效进入单个神经元内部，以高灵敏度记录微弱的突触信号，从而识别突触连接并判断其强度。

长期以来，科学家们一直尝试将这种高灵敏度的细胞内记录技术应用于大量神经元，以测量和表征众多突触信号，绘制出带有连接强度注释的地图。然而，进展有限，通常只能从少数神经元中获得细胞内信号。

由哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的Donhee Ham教授领导的研究团队在硅芯片上开发了一个由4096个微孔电极组成的阵列，实现了对芯片上培养的大鼠神经元的大规模并行细胞内记录。从这些前所未有的记录数据中，他们从约2000个神经元中提取了超过7万个突触连接。

这项工作基于该团队2020年的突破性设备——一个由4096个垂直纳米针电极组成的阵列，这些电极从相同集成电路设计的硅芯片上伸出。在之前的设备中，神经元可以缠绕在针上，通过大量电极并行进行细胞内记录。在最佳情况下，他们可以从记录数据中提取约300个突触连接，这已经远远超过膜片钳记录的范围。

基于这些初步成果，团队认为可以进一步改进。共同第一作者Jun Wang和Woo-Bin Jung来自海洋科学研究院的Ham小组，他们领导了硅芯片上微孔电极阵列的设计、制造，以及电生理记录和数据分析。

他们通过芯片操作，用小电流注入电极轻轻打开细胞，实现并行细胞内记录。博士后研究员Wang表示，微孔设计类似于膜片钳电极，本质上是一个带有孔的电极外壳玻璃移液管。

与垂直纳米针电极相比，微孔电极不仅与神经元内部结合得更好，而且制造起来也容易得多。这种可及性是我们工作的另一个重要特征。

新设计超出了团队的预期。在总共4096个微孔电极中，平均有3600多个（即90%）成功与顶部的神经元实现细胞内连接。研究小组从这种前所未有的网络范围内的细胞内记录数据中提取的突触连接数量激增至7万个，而之前的纳米针电极阵列只有约300个。记录数据的质量也更好，使研究小组能够根据每个突触的特征和强度对其进行分类。

“硅芯片中的集成电子元件与微孔电极同样重要，它以一种精心设计的方式提供温和的电流，以实现细胞内通道，同时记录细胞内信号。”曾是博士后研究员、现任韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology）教员的Jung说。

Ham表示：“在我们成功实现大规模并行细胞内记录之后，最大的挑战之一是如何分析海量数据。从那以后，我们已经走了很长一段路，深入了解了突触连接。我们现在正在研究一种可以应用于活体大脑的新设计。”