哈佛微型晶片揭密7萬個隱藏腦神經連結

哈佛大學的研究團隊近日開發出一款先進的矽晶片，配備微孔電極，成功繪製出超過7萬個大鼠神經元之間的突觸連結。這項突破性進展，無論在精準度還是規模上都超越了以往的方法，讓科學家更接近理解神經元如何連結與溝通。

這項研究發表在《自然生物醫學工程》期刊上，標誌著神經元記錄技術的重大進步。研究團隊利用這款矽晶片，能夠同時檢測大量神經元中的微小但重要的突觸訊號，成功繪製並分類了約2,000個大鼠神經元中的7萬多個突觸連結。這項技術有望幫助科學家建立更詳細的突觸連結圖譜，進一步深入理解神經元之間的溝通方式。

高階大腦功能的運作依賴於神經元之間的連結與互動，這些連結發生在稱為突觸的接合處。科學家的目標不僅是繪製出哪些神經元相互連結，還要揭示這些連結的強度。雖然電子顯微鏡在視覺化突觸結構方面非常有效，但它無法測量連結強度，這限制了其全面解釋神經網路功能的能力。

另一種更精確的方法稱為「膜片鉗記錄」，被視為研究突觸活動的黃金標準。這項技術能夠穿透單個神經元，以高靈敏度捕捉微弱的突觸訊號，幫助研究人員識別並測量連結強度。然而，將這項技術應用於同時記錄大量神經元網路一直是個挑戰。截至目前，科學家們只能同時記錄少數神經元的細胞內訊號，這限制了他們建立大規模功能性神經圖譜的能力。

由哈佛大學工程與應用科學學院的Donhee Ham教授領導的研究團隊，開發了一款配備4,096個微孔電極的矽晶片，能夠對培養在晶片上的大鼠神經元進行大規模平行細胞內記錄。從這些前所未有的記錄資料中，他們提取了約2,000個神經元中的7萬多個突觸連結。

這項研究建立在團隊2020年的突破性裝置基礎上，該裝置是一款配備4,096個垂直奈米針電極的矽晶片。在這款裝置上，神經元可以纏繞在針上，從而進行細胞內記錄，並透過大量電極實現平行化。在最佳情況下，他們能夠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能力。

在掌握了基本前提後，團隊認為他們可以做得更好。SEAS的Jun Wang和Woo-Bin Jung共同領導了這款矽晶片上微孔電極陣列的設計與製造、電生理記錄以及資料分析。他們操作晶片，透過電極注入微小電流，輕輕開啟細胞，從而實現細胞內記錄的平行化。博士後研究員Wang表示，微孔設計類似於膜片鉗電極，本質上是一個帶有孔的玻璃管。

微孔電極不僅比垂直奈米針電極更好地與神經元內部耦合，而且更容易製造。Wang表示，這種可及性是他們工作的另一個重要特點。新設計超出了團隊的預期，平均而言，4,096個微孔電極中有超過3,600個（即90%）與頂部的神經元進行了細胞內耦合。從這些前所未有的網路範圍細胞內記錄資料中，團隊提取了7萬個可信的突觸連結，相比之下，之前的奈米針電極陣列只能提取約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性和強度進行分類。

韓國浦項科技大學的Jung表示，矽晶片中的整合電子元件與微孔電極同樣重要，它提供了一種精細的方式來獲取細胞內訊號，並同時記錄這些訊號。Ham教授表示，在成功進行大規模平行細胞內記錄後，最大的挑戰之一是如何分析這些龐大的資料。他們已經取得了長足的進展，並從中獲得了對突觸連結的深入理解。目前，團隊正在開發一種可以應用於活體大腦的新設計。

這項研究得到了三星電子三星先進技術研究所的支援，並由化學與化學生物學系的Rona S. Gertner和化學與物理學教授Hongkun Park共同參與。