研究人员首次记录了单个脑细胞中的长期电活动

当一个人经历快乐或悲伤的情绪时，哪些脑细胞是活跃的?

为了回答这个问题，科学家们需要了解单个脑细胞如何为更大的大脑活动网络做出贡献，以及每个细胞在塑造行为和整体健康方面所起的作用。到目前为止，很难清楚地了解活体动物的脑细胞在很长一段时间内的行为。

但刘佳在哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的小组开发了一种电子植入物，可以从感兴趣的单个细胞中收集有关大脑活动的详细信息，为期一年多。他们的研究结果基于对小鼠的研究，发表在《自然神经科学》上。

“这项研究解决了一个基本问题 - 创建一个不会干扰大脑功能或随着时间的推移而退化的脑电子接口的挑战，”刘说，他是SEAS生物工程助理教授，他领导着一个致力于生物电子学的实验室。

神经科学家长期以来一直在寻找更好的工具来研究大脑中的不同细胞，包括神经元(传递电和化学信息)和小胶质细胞(负责维持大脑健康的免疫细胞)。

“单个神经元非常小 - 只有10到100微米 - 当它放电时，它的动作电位(电活动的峰值)只持续大约两毫秒，”刘说。

某些技术可以检测特定感兴趣细胞的大脑活动，以便在大脑的小区域进行短期实验，无论是在最近从动物身上取出的组织，还是通过使用探针或光遗传学技术来捕获原位活动。

但这些条件并不“真实”，它们没有提供有关单个细胞电活动的足够详细的信息，以了解活动如何随着年龄和其他生活经历而变化，刘说。“行为、记忆和疾病都在几天、几周、几个月和几年的过程中积累起来。

他说，迄今为止的大部分困难是由于活体脑组织和电子记录设备之间的机械性能不匹配。这阻碍了对神经元和小胶质细胞随时间推移的行为的长期精确记录。

“大脑非常柔软，就像豆腐或布丁的质地。相比之下，电子产品是刚性的。大脑的任何微小运动都可能导致传统传感器在活体脑组织中漂移和移动。这种结构不匹配会导致植入部位周围的细胞降解。

为了解决这个问题，刘的团队专门从事纳米电子学或“半机械人”工程，以弥合活组织和电子学之间的差距，开发了一种可植入装置和微创技术，将其安全地输送到大脑中。网状柔性纳米电子传感器被设计为使用水溶性聚合物“梭子”插入脑组织中。在植入之前，设备及其输送穿梭机以平版印刷方式连接。一旦植入物进入大脑，就会应用简单的盐溶液来溶解航天飞机，只留下网状电子传感器。

在小鼠研究中，当刘的团队将他们的纳米电子传感器植入大脑的多个区域时，植入过程和传感器的存在导致对脑组织的干扰最小。然后，针对单个神经元进行分析，他们使用这些设备记录这些相同细胞在小鼠成年生活中的电活动。

“即使在一年后，我们也没有看到单个神经元的任何降解或我们有兴趣用设备记录的小胶质细胞的增殖，”刘说。“没有其他技术可以在几个月和一年的时间内跟踪活跃动物中相同细胞的单细胞动作潜力。

展望未来，刘计划进一步发展这项技术，以便大脑活动可以从生物神经网络实时传输到计算机中的人工神经网络进行分析。而且，他想探索如何使用网状纳米电子传感器来研究诸如“神经表征”之类的现象。

“当你看电影或看到汽车在路上行驶时，你的大脑会产生电活动来代表这些图像，”他说。在神经表征过程中，大脑将感官信息和思想编码为外部刺激模型。

刘说，例如，情绪受到神经表征的影响，他对研究神经表征和大脑状态的变化如何影响情绪波动特别感兴趣。

“也许有一天外面又冷又灰，你感到不开心，心情不好。另一天，阳光明媚，你在海滩上，心情很好。目前的技术无法研究这些表征在大脑中如何变化，因为我们无法稳定地跟踪来自同一神经元的活动，“他说。“这项研究完全克服了这一限制。这是神经科学新时代的开始。

刘的研究的最终目标是开发神经，心血管和发育疾病的诊断和治疗方法。

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