哈佛團隊突破性研究：矽晶片繪製7萬個神經元突觸連結圖

哈佛大學的研究團隊利用一款矽晶片，成功記錄並繪製了約2000個老鼠神經元之間的7萬多個突觸連結。這項發表於《自然生物醫學工程》期刊的研究，是神經元記錄技術的重大突破，讓科學家距離繪製出完整的大腦突觸連結圖更近一步。

高階大腦功能被認為源自於神經元之間的連結方式。神經元之間的接觸點稱為突觸，科學家致力於繪製突觸連結圖，不僅要顯示哪些神經元彼此連結，還要了解每個連結的強度。雖然電子顯微鏡已成功用於製作突觸連結的視覺影象，但這些影像缺乏連結強度的資訊，因此無法揭示神經網路的最終功能。

相較之下，作為神經元記錄的黃金標準，膜片鉗電極能夠有效進入單個神經元內部，以高靈敏度記錄微弱的突觸訊號，從而發現突觸連結並判斷其強度。科學家長期以來一直試圖將這種高靈敏度的細胞內記錄技術應用於大量神經元，以便測量和描述大量突觸訊號，從而繪製出標註連結強度的圖譜。然而，他們很少能同時對多個神經元進行細胞內記錄。

由哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的Donhee Ham教授領導的研究團隊，開發了一款具有4096個微孔電極的矽晶片，能夠對培養在晶片上的老鼠神經元進行大規模並行的細胞內記錄。從這些充滿突觸訊號的前所未有的記錄資料中，他們從約2000個神經元中提取了超過7萬個突觸連結。

這項研究建立在團隊2020年的突破性裝置基礎上，該裝置是一款具有4096個垂直奈米針電極的矽晶片，採用相同的積體電路設計。在之前的裝置中，神經元可以纏繞在針上以進行細胞內記錄，並透過大量電極實現並行化。在最佳情況下，他們可以從記錄資料中提取約300個突觸連結，這已經遠遠超過了膜片鉗記錄的範圍。

有了基本前提，團隊懷疑他們可以做得更好。SEAS Ham團隊的共同第一作者Jun Wang和Woo-Bin Jung領導了矽晶片上微孔電極陣列的設計和製造、電生理記錄以及資料分析。他們操作晶片，透過電極注入小電流，輕輕開啟細胞，以便並行進行細胞內記錄。博士後研究員Wang表示，微孔設計類似於膜片鉗電極，本質上是一個末端有孔的玻璃吸管。

「微孔電極不僅比垂直奈米針電極更好地耦合到神經元內部，而且更容易製造。這種可及性是我們工作的另一個重要特徵，」Wang說。新設計超出了團隊的預期。平均而言，4096個微孔電極中有超過3600個（即90%）與頂部的神經元進行了細胞內耦合。

從這些前所未有的全網路細胞內記錄資料中，團隊提取的突觸連結數量激增至7萬個可能的突觸連結，而之前的奈米針電極陣列僅提取了約300個。記錄資料的質量也更好，這使得團隊能夠根據每個突觸連結的特徵和強度進行分類。

「矽晶片中的積體電子元件與微孔電極同樣重要，它以精細的方式提供溫和的電流以獲得細胞內通路，同時記錄細胞內訊號，」Jung說，他是一位前博士後研究員，現任韓國浦項科技大學的教職員。

「在我們成功進行大規模並行細胞內記錄後，最大的挑戰之一是如何分析海量資料，」Ham說。「我們已經從中獲得了對突觸連結的深入理解。我們現在正在努力開發一種可以應用於活體大腦的新設計。」