研究人员首次记录了单个脑细胞的长期电活动

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对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发挥什么作用。到目前为止，人们还很难清楚地了解它是如何做到的大脑细胞活着的动物在很长一段时间内都会有行为。

但是，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的刘佳团队已经开发出一种电子植入物，可以从单个感兴趣的细胞中收集有关大脑活动的详细信息，时间超过一年。他们的发现基于对老鼠的研究，发表在自然神经科学．

“这项研究解决了一个基本问题——创造一个不干扰大脑-电子接口的挑战大脑功能或者随着时间的推移而退化。”刘说，他是SEAS的生物工程助理教授，在那里他领导着一个致力于生物电子学的实验室。

长期以来，神经科学家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(传递电子和化学信息)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(峰值)就会上升电活动)只持续大约两毫秒。”

某些技术可以在大脑的小区域内检测特定细胞的大脑活动，用于短期实验，无论是在最近从动物身上取出的组织中，还是通过使用探针或光遗传技术来原位捕获活动。

但这些条件并不“真实”，它们不能提供关于单个细胞的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因素而变化生活经历刘说。“行为、记忆和疾病都是在几天、几周、几个月和几年的过程中积累起来的。”

他说，迄今为止的大部分困难是由于两种生物在机械性能上的不匹配大脑组织还有电子录音设备。这就阻碍了对神经元和小胶质细胞如何随着时间的推移而表现的长期、精确的记录。

“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。这种结构上的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，Liu的团队(专门研究工程纳米电子学或“电子人”来弥合活组织和电子设备之间的差距)开发了一种可植入设备和微创技术，将其安全地送入大脑。这种网状的柔性纳米电子传感器被设计成使用水溶性聚合物“梭子”插入脑组织。在植入之前，设备和它的传送梭被平版印刷连接。一旦植入物进入大脑，用一种简单的生理盐水溶解梭，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小鼠成年过程中这些细胞的电活动。

刘说:“即使在一年后，我们也没有看到我们感兴趣的设备记录的单个神经元的退化或小胶质细胞的增殖。”“目前没有其他技术可以追踪单细胞细胞动作电位在几个月到一年的时间里，从活跃动物体内的相同细胞中提取。”

展望未来，刘计划进一步发展这项技术大脑的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，他想探索如何将网格纳米电子传感器用于研究“神经表征”等现象。

他说:“当你看电影或看到一辆汽车行驶在路上时，你的大脑会产生电流活动来表现这些图像。”在神经表征的过程中，大脑将感觉信息和思想编码到外部刺激的模型中。

刘说，例如，情绪受到神经表示他特别感兴趣的是研究神经表征和大脑状态的变化如何随着时间的推移影响情绪波动。

“也许有一天外面又冷又灰，你觉得不开心，心情不好。另一天，阳光明媚，你在海滩上，心情很好。目前的技术还无法研究大脑中的这些表征是如何变化的，因为我们还无法稳定地跟踪同一个神经元的活动。”“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、心血管和发育性疾病的诊断和治疗方法。