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Nature:开发出同时记录上百个神经元电活动的新型硅探头

来源:本站原创 2017-11-12 20:33


图片来自Timothy Harris实验室/Janelia Research Campus。

2017年11月12日/生物谷BIOON/---多亏霍华德-休斯医学研究所、艾伦脑科学研究所、盖茨比慈善基金会和韦尔科姆基金会资助的一个重大的Neuropixels项目,想要追踪神经系统中的细胞对话的神经科学家们将很快获得易于使用的同时监控大脑中的数百个不同位点的神经活动的技术。

在霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的研究人员领导的这个投资550万美元的合作项目中,来自珍妮莉亚研究园区、艾伦脑科学研究所和伦敦大学学院的研究人员在过去的四年里与IMEC(比利时鲁汶市的一个国际纳米电子学研究中心)的工程师们一起制造和测试检测活动物大脑中的神经活动的新型设备。这些被称作神经像素探头(Neuropixels probe, Neuropixels探头)的设备将数百个记录电极放在一个啮齿类动物的大脑大部分区域中以至于研究人员能够在单项实验中收集更多的有意义的数据。预计Neuropixels探头在2018年年中可供研究实验室购买。相关研究结果发表在2017年11月9日的Nature期刊上,论文标题为“Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity”。

这篇Nature论文中的一些亮点为:
(1)这是首次报道一种大的(10毫米)的密集的(每毫米100位点)植入性神经记录设备;
(2)利用每种探头,科学家们可观察到数百个分辨率良好的单个神经元的信号路径;
(3)这些探头能够在多个大脑区域中同时记录神经活动;
(4)研究人员利用两个Neuropixels探头记录了700多个神经元的活动;
(5)在不需要特殊技术的情形下,这些探头可记录比较多的神经元和产生非常好的信噪比性能。

珍妮莉亚研究园区资深研究员Timothy Harris说,利用比人的一根头发还要薄的但长度足以同时进入啮齿类动物大脑的多个区域的一个探头上放置的将近1000个电子传感器,这种新的技术能够极大地加快神经科学研究。他说,“你能够更高保真度地和不那么困难地检测来自多个大脑区域的大量神经元的活动。”

这些研究人员证实这些探头和新的数据分析方法能够被用来追踪多个大脑区域中的数百个或者甚至数千个神经元的活动。当前有400多个原型Neuropixels探头在全世界的研究中心里用于测试。

Neuropixels探头类似于神经科学家们几十年来用于检测活动物大脑中胞外电活动的电生理学探头,但是它们整合了两项关键的进展。这些新的探头大约与小鼠大脑一样长,因此它们能够穿过很多不同的大脑区域并且同时收集来自这些大脑区域的数据。记录电极沿着探头的长度密集地分布着,这就使得研究人员能够更加容易地精确确定大脑活动的细胞来源。最终,每个新的探头都整合了一个几乎完整的记录系统,从而减少了硬件的大小、成本和消除了数百根输出电线。

Neuropixels项目于2013年启动,它的雄心勃勃的目标是大幅度地推进检测大脑电活动的技术发展。尽管一些实验室确实有能力同时记录上百个神经元的活动,但是这些实验具有高昂的成本,在技术上存在困难,而且大多数研究人员使用的电生理学探头有16~64个传感器,从而限制了用户在一次实验中能够监控的神经元数量。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

James J. Jun, Nicholas A. Steinmetz, Joshua H. Siegle et al. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature, Published online:08 November 2017, doi:10.1038/nature24636

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