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記錄神經(jīng)元胞內(nèi)電活動(dòng)對(duì)于研究神經(jīng)元之間的信息傳遞機(jī)制具有重要的意義,。當(dāng)前，膜片鉗技術(shù)中用到的電極不僅可以測(cè)量神經(jīng)元中動(dòng)作電位的傳導(dǎo),，而且還可以測(cè)量閾值下突觸后電位（PSP）等電活動(dòng),。在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，大規(guī)模同時(shí)記錄一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中大量神經(jīng)元的胞內(nèi)電活動(dòng)具有更為重要的意義,，但是,，膜片鉗電極本身并不十分適合按比例縮放成密集電極陣列，膜片鉗技術(shù)同時(shí)一般只能測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng),。因此,，研制出能夠同時(shí)記錄大規(guī)模數(shù)量神經(jīng)元胞內(nèi)電活動(dòng)的電極陣列是神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)領(lǐng)域所亟待攻克的技術(shù)。近期,，來自于美國(guó)哈佛大學(xué)保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Biomedical Engineering雜志發(fā)表題目為《A nanoelectrode array for obtaining intracellular recordings from thousands of connected neurons》研究論文,，報(bào)道了一種納米電極陣列，它可以同時(shí)從數(shù)千個(gè)體外連接的哺乳動(dòng)物神經(jīng)元中記錄細(xì)胞內(nèi)電活動(dòng)信號(hào),。本文對(duì)該項(xiàng)研究作一個(gè)簡(jiǎn)單的報(bào)道,。

研究者采用精密的機(jī)械加工技術(shù)，在半導(dǎo)體（CMOS）芯片上加工出了具有4096個(gè)記錄和刺激電極位點(diǎn)的CMOS微電極陣列,，每一個(gè)電極位點(diǎn)的材料是Pt，并在每個(gè)電極位點(diǎn)上沉積上一層鉑黑（platinum-black,，PtB）以增加電極位點(diǎn)的粗糙程度,；同時(shí)，更為重要的是,，在這個(gè)CMOS芯片上還集成了4096個(gè)微型放大器,。如圖1所示，圖1a為配置有微流槽（用于培養(yǎng)神經(jīng)元組織）的CMOS微電極陣列,，圖1b為研制的CMOS微電極陣列以及上面培養(yǎng)的神經(jīng)元的偽彩色掃描電鏡照片,，圖1c-e表示沉積有PtB的Pt電極位點(diǎn),。

圖1

PtB修飾的微電極位點(diǎn)和集成的微型放大器相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)CMOS微電極芯片在偽電流鉗（pseudocurrent-clam,，pCC）和偽電壓鉗（pseudovoltage-clamp,，pVC）模式之間切換，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定靈敏的胞內(nèi)閾值下膜電位記錄（在pCC模式下）,、離子通道電流記錄（在pVC模式下）以及在每個(gè)電極位點(diǎn)處同時(shí)刺激神經(jīng)元,。
在pVC模式下，可以利用CMOS微電極陣列測(cè)量神經(jīng)元的離子電流以及藥物對(duì)離子電流的影響,，如圖2g所示為在pVC模式下記錄到的離子電流,，TTX表示Na離子通道阻斷劑，TEA表示K離子通道阻斷劑,；圖2f表示在-0.65V或-900pA的刺激下所記錄到的離子通道電流（pVC模式）,。圖2a為神經(jīng)元-電極界面等效電路，2b表示pCC模式下電極-神經(jīng)元界面等效電路,，2c表示pVC模式下電極-神經(jīng)元界面等效電路,。
在pCC模式下， CMOS微電極陣列可以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元胞內(nèi)動(dòng)作電位（AP）和突觸后電位（PSP）的記錄,，如圖2d和e,，在不同的刺激電流下，記錄到的動(dòng)作電位AP和PSP,。

圖2

此外,，更為重要的是，在pCC模式下,，CMOS微電極陣列可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)記錄數(shù)千個(gè)神經(jīng)元胞內(nèi)AP和PSP,。通過對(duì)神經(jīng)元施加電刺激，同時(shí)記錄大規(guī)模神經(jīng)元胞內(nèi)AP和PSP,，利用這些記錄到的數(shù)據(jù)和一定的方法（具體方法可以查看原文）,，可以推測(cè)出這些神經(jīng)元之間的突觸投射關(guān)系。研究者利用這樣的方法,，對(duì)所記錄的19min胞內(nèi)電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，在1700個(gè)神經(jīng)元之間繪制出了300多個(gè)興奮性和抑制性的突觸連接，如圖3所示,。

圖3

總之,，該項(xiàng)研究報(bào)道了一種可以同時(shí)記錄數(shù)千個(gè)神經(jīng)元胞內(nèi)AP和PSP信號(hào)的納米電極陣列，這樣的工具也是目前神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域所急需的,，這種高通量的胞內(nèi)電活動(dòng)記錄技術(shù)對(duì)于研究功能連接圖譜,、神經(jīng)元之間的突觸映射以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元之間的信息交流具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：
Jeffrey Abbott, Tianyang Ye, et.al A nanoelectrode array for obtaining intracellular recordings from thousands of connected neurons. Nature Biomedical Engineering, 2019; DOI: 10.1038/s41551-019-0455-7