獲得了解活體大腦神經(jīng)元內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制的途徑可為我們提供大量有用的信息：它的電活動(dòng)模式，甚至在某個(gè)指定時(shí)刻基因的開關(guān)圖譜。然而達(dá)到這一目標(biāo)卻是一個(gè)極其艱苦的任務(wù)，它被認(rèn)為是掌握一門藝術(shù)；由于非常難于學(xué)習(xí)當(dāng)前世界上只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)ζ溥M(jìn)行實(shí)踐操作。

然而這一情況將很快會得到改變：來自麻省理工學(xué)院和佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新方法實(shí)現(xiàn)了在活體大腦中自動(dòng)化尋找和記錄來自神經(jīng)元的信息。研究人員利用單細(xì)胞檢測計(jì)算機(jī)運(yùn)算控制單個(gè)機(jī)器手臂，以相比人類試驗(yàn)操作人員更高的精確度和速度鑒別和記錄下了活體小鼠大腦中的神經(jīng)元。相關(guān)論文發(fā)布在5月6日的《自然方法》（Nature Methods）雜志上。

新的自動(dòng)化程序無需數(shù)月的培訓(xùn)，提供了長期以來尋求的關(guān)于活細(xì)胞活動(dòng)的信息。利用這一技術(shù)，科學(xué)家們能夠鑒別出大腦中數(shù)千種不同的細(xì)胞類型，繪制出它們相互聯(lián)系的圖譜，并找出疾病細(xì)胞與正常細(xì)胞的差異。

這一項(xiàng)目是由麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)和大腦與認(rèn)知科學(xué)副教授Ed Boyden與佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助理教授Craig Forest協(xié)作完成。

“我們的研究團(tuán)隊(duì)從開始就一直從事跨學(xué)科研究，這使得我們能夠?qū)⒕軝C(jī)械設(shè)計(jì)的原理帶到活體大腦研究中，”Forest說。他的研究生Suhasa Kodandaramaiah是文章的主要作者，作為訪問學(xué)者已在麻省理工學(xué)院開展了兩年的研究工作。

這一技術(shù)尤其適用于研究諸如精神分裂癥、帕金森氏癥、自閉癥和癲癇等大腦疾病。Boyden說：“在所有這些情況下，對單個(gè)細(xì)胞的電及回路特征進(jìn)行分子描述……一直難以實(shí)現(xiàn)。如果我們真的能夠描述活體大腦特異細(xì)胞中疾病改變分子的機(jī)制，就有可能發(fā)現(xiàn)更好的藥物靶點(diǎn)。”

Kodandaramaiah、Boyden 和 Forest著手于研究讓一種已有30年歷史的技術(shù)——全細(xì)胞膜片鉗（whole-cell patch clamping）自動(dòng)化。全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)是通過將一個(gè)微小的空心玻璃吸管與神經(jīng)元細(xì)胞膜接觸，然后打開細(xì)胞膜上一個(gè)小孔來記錄細(xì)胞中電活動(dòng)的方法。通常一個(gè)研究生或博士后需要數(shù)月的時(shí)間才能學(xué)習(xí)掌握這項(xiàng)技術(shù)。

Kodandaramaiah花了大約四個(gè)月的時(shí)間學(xué)習(xí)手動(dòng)膜片鉗技術(shù)，這讓他認(rèn)識到這一技術(shù)非常難以掌握。“當(dāng)我相當(dāng)出色地掌握了這一技術(shù)時(shí)，我感到雖然它是一種藝術(shù)形式，也可將其變?yōu)橐惶锥ㄐ腿蝿?wù)，并通過機(jī)器人執(zhí)行決策。”

為此，Kodandaramaiah和他的同事們構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器手臂，可以微米精確度將一個(gè)玻璃吸管置入麻醉小鼠大腦。隨著移動(dòng)，吸管監(jiān)測了細(xì)胞的電阻抗性——測量電流出吸管的難度。如果周圍沒有細(xì)胞，電流動(dòng)且阻抗低。一旦吸管尖頭接觸到細(xì)胞，電流將無法流動(dòng)，阻抗會升高。