記錄來(lái)自活體大腦神經(jīng)元內(nèi)部的電信號(hào)可以揭示有關(guān)該神經(jīng)元功能的大量信息以及它如何與大腦中的其他細(xì)胞協(xié)調(diào)。然而，進(jìn)行這種記錄非常困難，因此世界上只有少數(shù)神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室能夠做到這一點(diǎn)。

為了使這項(xiàng)技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，麻省理工學(xué)院的工程師現(xiàn)在設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化過(guò)程的方法，使用計(jì)算機(jī)算法分析顯微鏡圖像并引導(dǎo)機(jī)器人手臂到目標(biāo)細(xì)胞。

這項(xiàng)技術(shù)可以讓更多的科學(xué)家研究單個(gè)神經(jīng)元，并了解它們?nèi)绾闻c其他細(xì)胞相互作用，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知，感知知覺和其他大腦功能。研究人員還可以用它來(lái)了解神經(jīng)回路如何受到腦部疾病的影響。

“了解神經(jīng)元如何溝通是基礎(chǔ)和臨床神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)。我們希望通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，您可以了解細(xì)胞內(nèi)部，神經(jīng)計(jì)算或疾病狀態(tài)，“麻省理工學(xué)院生物工程和腦與認(rèn)知科學(xué)副教授Ed Boyden說(shuō)道。麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室和麥戈文腦研究所成員。

博伊登是該論文的高級(jí)作者，該論文發(fā)表在8月30日出版的“ 神經(jīng)元”雜志上。該論文的主要作者是麻省理工學(xué)院的研究生Ho-Jun Suk。

精確指導(dǎo)

30多年來(lái)，神經(jīng)科學(xué)家一直在使用一種稱為膜片鉗的技術(shù)來(lái)記錄細(xì)胞的電活動(dòng)。這種方法包括將一個(gè)微小的空心玻璃移液管與神經(jīng)元的細(xì)胞膜接觸，然后在膜上打開一個(gè)小孔，通常需要研究生或博士后幾個(gè)月才能學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)在活哺乳動(dòng)物大腦的神經(jīng)元上進(jìn)行這項(xiàng)工作更加困難。

有兩種類型的膜片鉗：一種“盲”(非圖像引導(dǎo))方法，由于研究人員無(wú)法看到細(xì)胞的位置，只能從移液器首先遇到的任何細(xì)胞中進(jìn)行記錄，因此受到限制，以及圖像引導(dǎo)版本允許特定細(xì)胞成為目標(biāo)。

五年前，麻省理工學(xué)院和喬治亞理工學(xué)院的Boyden及其同事，包括共同作者克雷格森林，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化盲版鉗片夾的方法。他們創(chuàng)建了一種計(jì)算機(jī)算法，可以根據(jù)稱為電阻抗的屬性測(cè)量將移液管引導(dǎo)到細(xì)胞 - 這反映了電流從移液管流出的難度。如果周圍沒有電池，電流和阻抗都很低。當(dāng)尖端撞擊電池時(shí)，電流也不能流動(dòng)，阻抗也會(huì)增加。

一旦移液器檢測(cè)到細(xì)胞，它就可以立即停止移動(dòng)，防止它穿過(guò)細(xì)胞膜。然后真空泵施加抽吸以與細(xì)胞膜形成密封。然后，電極可以穿透膜以記錄細(xì)胞的內(nèi)部電活動(dòng)。

研究人員使用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非常高的準(zhǔn)確度，但它仍然不能用于靶向特定細(xì)胞。Boyden說(shuō)，對(duì)于大多數(shù)研究，神經(jīng)科學(xué)家都有他們想要了解的特定細(xì)胞類型。

“它可能是一個(gè)在自閉癥中受損的細(xì)胞，或在精神分裂癥中被改變的細(xì)胞，或者在存儲(chǔ)記憶時(shí)活躍的細(xì)胞。那是你想知道的細(xì)胞，“他說(shuō)。“你不想修補(bǔ)一千個(gè)細(xì)胞，直到找到一個(gè)有趣的細(xì)胞。”

為了實(shí)現(xiàn)這種精確定位，研究人員開始自動(dòng)化圖像引導(dǎo)的膜片鉗。這種技術(shù)難以手動(dòng)執(zhí)行，因?yàn)楸M管科學(xué)家可以通過(guò)顯微鏡觀察目標(biāo)神經(jīng)元和移液管，但他或她必須補(bǔ)償隨著移液管進(jìn)入大腦時(shí)附近細(xì)胞移動(dòng)的事實(shí)。

“這幾乎就像試圖擊中大腦內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)，這是一種精致的組織，”Suk說(shuō)。“對(duì)于機(jī)器而言，它更容易，因?yàn)樗鼈兛梢愿櫦?xì)胞的位置，它們可以自動(dòng)移動(dòng)顯微鏡的焦點(diǎn)，并且它們可以自動(dòng)移動(dòng)移液器。”

通過(guò)結(jié)合幾種成像處理技術(shù)，研究人員提出了一種算法，可以將移液管引導(dǎo)到目標(biāo)細(xì)胞的約25微米范圍內(nèi)。此時(shí)，系統(tǒng)開始依賴于圖像和阻抗的組合，這在檢測(cè)移液管和目標(biāo)細(xì)胞之間的接觸方面比單獨(dú)的任一信號(hào)更準(zhǔn)確。

研究人員用雙光子顯微鏡對(duì)細(xì)胞進(jìn)行成像，這是一種常用的技術(shù)，它使用脈沖激光將紅外光發(fā)送到大腦，點(diǎn)亮已經(jīng)過(guò)工程改造以表達(dá)熒光蛋白的細(xì)胞。

利用這種自動(dòng)化方法，研究人員能夠成功地從兩種類型的細(xì)胞中定位和記錄 - 一類中間神經(jīng)元，它們?cè)谄渌窠?jīng)元之間傳遞信息，以及一組被稱為錐體細(xì)胞的興奮性神經(jīng)元。他們?nèi)〉昧舜蠹s20%的成功率，這與手工執(zhí)行該過(guò)程的訓(xùn)練有素的科學(xué)家的表現(xiàn)相當(dāng)。

解開電路

該技術(shù)為深入研究特定神經(jīng)元的行為鋪平了道路，這可以揭示其正常功能以及它們?nèi)绾卧诎柎暮Ｄ习Y或精神分裂癥等疾病中出錯(cuò)。例如，研究人員在本文中研究的中間神經(jīng)元之前已與阿爾茨海默氏癥相關(guān)聯(lián)。在最近由麻省理工學(xué)院Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所主任Li-Huei Tsai領(lǐng)導(dǎo)并與Boyden合作進(jìn)行的一項(xiàng)小鼠研究中，據(jù)報(bào)道，在海馬中間神經(jīng)元中誘導(dǎo)特定頻率的腦波振蕩可能有助于清除與阿爾茨海默病患者相似的淀粉樣斑塊。

“你真的很想知道那些牢房里發(fā)生了什么，”博伊登說(shuō)。“它們是否向特定的下游細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，從而有助于治療結(jié)果?大腦是一個(gè)電路，為了理解電路是如何工作的，你必須能夠在電路運(yùn)行時(shí)監(jiān)控電路的元件。“

這項(xiàng)技術(shù)還可以研究神經(jīng)科學(xué)中的基本問(wèn)題，例如當(dāng)大腦做出決定或回憶記憶時(shí)，各個(gè)神經(jīng)元如何相互作用。

哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)教授貝爾納多薩巴蒂尼說(shuō)，他有興趣在他的實(shí)驗(yàn)室中使用這種技術(shù)，學(xué)生們花費(fèi)大量時(shí)間記錄實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的神經(jīng)元的電活動(dòng)。

“讓聰明聰明的學(xué)生完成可由機(jī)器人完成的乏味任務(wù)是很愚蠢的，”沒有參與這項(xiàng)研究的薩巴蒂尼說(shuō)。“我很樂意讓機(jī)器人做更多的實(shí)驗(yàn)，所以我們可以專注于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和解釋。”

為了幫助其他實(shí)驗(yàn)室采用新技術(shù)，研究人員計(jì)劃將他們的方法的細(xì)節(jié)放在他們的網(wǎng)站autopatcher.org上。

其他合著者包括Ingrid van Welie，Suhasa Kodandaramaiah和Brian Allen。該研究由Jeremy和Joyce Wertheimer，國(guó)立衛(wèi)生研究院(包括NIH單細(xì)胞計(jì)劃和NIH主任先鋒獎(jiǎng))，HHMI-Simons學(xué)院學(xué)者計(jì)劃和紐約干細(xì)胞基金會(huì) - 羅伯森獎(jiǎng)資助