近日，在發(fā)表于《Nature Biomedical Engineering》期刊的一項研究中，哈佛大學(xué)的研究人員利用尖端硅芯片記錄了來(lái)自約2000個(gè)大鼠神經(jīng)元的70,000多個(gè)突觸連接，采用創(chuàng )新微孔電極陣列技術(shù)，首次實(shí)現了大規模并行內部神經(jīng)信號記錄。

人們普遍認為，高級腦功能源于腦細胞之間的連接方式。神經(jīng)元之間的接觸點(diǎn)稱(chēng)為突觸，科學(xué)家們希望繪制出突觸連接圖，顯示哪些神經(jīng)元相互連接，以及每個(gè)連接的強度。盡管電子顯微鏡成功用于制作突觸連接的視覺(jué)圖，但這些圖像缺乏連接強度的信息，因此無(wú)法最終揭示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的功能。

與此相比，貼片鉗電極被視為神經(jīng)記錄的金標準，能夠有效深入單個(gè)神經(jīng)元，記錄高靈敏度的微弱突觸信號，從而找到突觸連接并測定其強度?？茖W(xué)家們長(cháng)期以來(lái)一直希望將這種高靈敏度的細胞內記錄技術(shù)應用于多個(gè)神經(jīng)元的并行測量，以此表征大量突觸信號，并繪制出注釋連接強度的地圖。然而，他們往往只能從少數神經(jīng)元中獲取細胞內接入。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1060336

圖片信息：硅芯片上微孔電極陣列的一部分。

該研究研發(fā)了一種集成了4096個(gè)微孔電極的硅芯片，實(shí)現了大規模并行的細胞內記錄。研究人員從這些前所未有的記錄數據中提取了來(lái)自約2000個(gè)神經(jīng)元的70,000多個(gè)突觸連接。

這一突破建立在研究團隊2020年取得的突破性設備上——一組4096個(gè)垂直納米針電極，嵌入相同集成電路設計的硅芯片上。在這個(gè)早期設備中，神經(jīng)元可以環(huán)繞針頭實(shí)現細胞內記錄，并通過(guò)大量電極實(shí)現并行操作。在最理想的情況下，他們能從記錄數據中提取約300個(gè)突觸連接，仍然大大超越了貼片鉗記錄的極限。

研究人員操作該芯片，利用小電流通過(guò)電極輕柔地打開(kāi)細胞，實(shí)現細胞內記錄的并行化。研究表示，微孔設計類(lèi)似于貼片鉗電極，實(shí)質(zhì)上是一種在末端有孔的電極外殼。

新設計超出了研究團隊的預期。平均而言，4096個(gè)微孔電極中有超過(guò)3600個(gè)（即90%）與上方的神經(jīng)元實(shí)現了細胞內耦合。通過(guò)這種前所未有的網(wǎng)絡(luò )級細胞內記錄數據，團隊提取的突觸連接數量躍升至70,000個(gè)，而此前的納米針電極陣列最多只能提取約300個(gè)。記錄數據的質(zhì)量也有所提升，使團隊能夠根據突觸連接的特征和強度進(jìn)行分類(lèi)。

研究指出，硅芯片中的集成電子設備在獲得細胞內接入時(shí)，與微孔電極同樣重要，它提供了溫和的電流，以精細的方式獲得細胞內訪(fǎng)問(wèn)，并同時(shí)記錄細胞內信號。而在成功實(shí)現大規模并行記錄后，面臨的最大挑戰之一是如何分析海量數據。這項研究的成功為理解和繪制大腦復雜的連接網(wǎng)絡(luò )提供了重要的基礎。通過(guò)識別和分類(lèi)大量突觸連接，研究人員能夠更深入地探討大腦是如何處理信息的，以及不同神經(jīng)元之間的互動(dòng)如何影響整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的功能。

隨著(zhù)神經(jīng)生物學(xué)、計算機科學(xué)和工程學(xué)的日益融合，未來(lái)的研究可能會(huì )利用這一技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)一步探索大腦的功能和機制。通過(guò)能夠記錄更多突觸連接的數據，科學(xué)家們有望揭示更復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)，從而更全面地理解神經(jīng)系統的運作。

總體而言，這項研究不僅展示了高效神經(jīng)元記錄技術(shù)的潛力，也為構建大腦功能的整體圖譜奠定了基礎，推動(dòng)了神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，使科學(xué)家們在深入理解大腦的目標上更進(jìn)一步。

雜志：Nature Biomedical Engineering

DOI：10.1038/s41551-025-01352-5