Nature子刊：用于同时记录数千个神经元胞内电活动的纳米电极阵列
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记录神经元胞内电活动对于研究神经元之间的信息传递机制具有重要的意义。当前，膜片钳技术中用到的电极不仅可以测量神经元中动作电位的传导，而且还可以测量阈值下突触后电位（PSP）等电活动。在神经科学领域，大规模同时记录一个神经网络中大量神经元的胞内电活动具有更为重要的意义，但是，膜片钳电极本身并不十分适合按比例缩放成密集电极阵列，膜片钳技术同时一般只能测量一个或几个神经元的电活动。因此，研制出能够同时记录大规模数量神经元胞内电活动的电极阵列是神经科学和脑科学领域所亟待攻克的技术。近期，来自于美国哈佛大学保尔森工程与应用科学学院的研究团队在Nature Biomedical Engineering杂志发表题目为《A nanoelectrode array for obtaining intracellular recordings from thousands of connected neurons》研究论文，报道了一种纳米电极阵列，它可以同时从数千个体外连接的哺乳动物神经元中记录细胞内电活动信号。本文对该项研究作一个简单的报道。
研究者采用精密的机械加工技术，在半导体（CMOS）芯片上加工出了具有4096个记录和刺激电极位点的CMOS微电极阵列，每一个电极位点的材料是Pt，并在每个电极位点上沉积上一层铂黑（platinum-black，PtB）以增加电极位点的粗糙程度；同时，更为重要的是，在这个CMOS芯片上还集成了4096个微型放大器。如图1所示，图1a为配置有微流槽（用于培养神经元组织）的CMOS微电极阵列，图1b为研制的CMOS微电极阵列以及上面培养的神经元的伪彩色扫描电镜照片，图1c-e表示沉积有PtB的Pt电极位点。
图1
PtB修饰的微电极位点和集成的微型放大器相结合，可实现CMOS微电极芯片在伪电流钳（pseudocurrent-clam，pCC）和伪电压钳（pseudovoltage-clamp，pVC）模式之间切换，从而实现稳定灵敏的胞内阈值下膜电位记录（在pCC模式下）、离子通道电流记录（在pVC模式下）以及在每个电极位点处同时刺激神经元。
在pVC模式下，可以利用CMOS微电极阵列测量神经元的离子电流以及药物对离子电流的影响，如图2g所示为在pVC模式下记录到的离子电流，TTX表示Na离子通道阻断剂，TEA表示K离子通道阻断剂；图2f表示在-0.65V或-900pA的刺激下所记录到的离子通道电流（pVC模式）。图2a为神经元-电极界面等效电路，2b表示pCC模式下电极-神经元界面等效电路，2c表示pVC模式下电极-神经元界面等效电路。
在pCC模式下， CMOS微电极阵列可以实现对神经元胞内动作电位（AP）和突触后电位（PSP）的记录，如图2d和e，在不同的刺激电流下，记录到的动作电位AP和PSP。
图2
此外，更为重要的是，在pCC模式下，CMOS微电极阵列可以实现同时记录数千个神经元胞内AP和PSP。通过对神经元施加电刺激，同时记录大规模神经元胞内AP和PSP，利用这些记录到的数据和一定的方法（具体方法可以查看原文），可以推测出这些神经元之间的突触投射关系。研究者利用这样的方法，对所记录的19min胞内电信号数据进行分析，在1700个神经元之间绘制出了300多个兴奋性和抑制性的突触连接，如图3所示。
图3
总之，该项研究报道了一种可以同时记录数千个神经元胞内AP和PSP信号的纳米电极阵列，这样的工具也是目前神经科学领域所急需的，这种高通量的胞内电活动记录技术对于研究功能连接图谱、神经元之间的突触映射以及神经网络中神经元之间的信息交流具有重要意义。
参考文献：
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