神经学家尝试将脑细胞“窃听术”自动化

照片来源:双胞胎项目

将电极夹在活的动物脑细胞上以记录其电颤动是一项需要灵巧和耐心的任务。神经生物学家爱德华·博伊登说，这项技术的名称是“全细胞膜片钳”，它被称为“神经科学的最佳艺术”，而且这项技术在世界上只有少数几个实验室可以使用。

但是研究人员正试图将它转变成一种简化的自动化技术，任何实验室都可以使用机器人和可下载的源代码来操作它，从而使这门艺术不那么神秘。

“全细胞膜片钳为理解神经回路提供了一种独特的方法，但这种令人兴奋的技术的使用非常少。”卡雷尔·斯沃博达，弗吉尼亚大学霍华德·休斯医学研究所的神经学家，弗吉尼亚大学弗吉尼亚分校弗吉尼亚大学弗吉尼亚大学弗吉尼亚大学弗吉尼亚大学弗吉尼亚大学弗吉尼亚大学

3月3日，博伊登和他在麻省理工学院的同事发表了如何组装和操作全细胞膜片钳自动化系统的详细说明。他们在2012年首次描述了这个概念。本指南代表了博伊登和克雷格·森林实验室之间的最新合作，克雷格·森林实验室是亚特兰大佐治亚理工学院的机械工程专家，主要从事机器人自动化研究。

大多数神经记录包括在脑细胞之间插入电极，以捕捉神经元之间的生物电拦截。例如，“细胞外记录”可以检测来自外部的信号，但它忽略了细胞中的生物电活动，而生物电活动决定了细胞是否会发出电击。这是使用全细胞膜片钳的地方。这项技术可以植入神经元内部。这个微妙的过程“有一个非常陡峭的学习曲线，许多人甚至从来没有成功过。”斯沃博达说。

全细胞膜片钳包括将含有电极线的微小玻璃吸管放入大脑。在最常见的“盲目”操作中，研究人员需要在看不到神经元的情况下实现这一过程。科学家必须不断增加压力，使白色物质离开吸管，但电极电阻的增加表明附近存在细胞。他们必须在合适的时间迅速切换到抽吸模式，以在超薄吸管的顶端密封少量的神经元膜。再吸几次之后，研究人员可以在细胞膜上钻一个小洞来记录神经元的活动。在错误的角度冲击神经元，错误的压力调节和大量的其他变量会导致错误的信息记录。

“每一步都有一定的失败率，整个过程中出错的概率会成倍增加。”博伊登说。有经验的操作者成功率只有20%~60%。

博伊登和森林决定自动化这项棘手的技术。他们的自动化机器人在操作能力上还没有超过人类专家，他们在老鼠实验中的平均成功率是33%。这套设备是在商用操作平台LabVIEW上进行的，只有研究人员需要放置动物和吸管，然后用电脑公式控制吸管的内压和大脑中的操作。佐治亚州亚特兰大市的一家名为“神经动力装置”的公司提供基于博伊登和森林技术的机器，但该公司没有透露价格或销售额。

奥斯汀德克萨斯大学的研究人员也创造了一个类似的自动修补系统，该系统由MATLAB计算机环境控制。它使用一个略有不同的算术公式来确定何时泵，它在小鼠脑细胞实验中的成功率约为17%。领导该小组的神经科学家尼拉杰·德赛说，他希望应用更先进的算术公式。

一些研究人员质疑这些记录机器人是否能超越顶尖的人类专家。"参与人类决策的元素比机器捕捉到的要丰富得多。"伦敦大学学院的神经学家迈克尔·豪瑟说。然而，他补充道，这项技术对新手来说仍然是一大进步。其他人说，机器人可以帮助不同层次的用户进行冗长或复杂的实验，在这种情况下，人类的疲劳将成为一个限制因素。

这种自动技术能否被神经科学普遍接受还有待观察。现在，上述两个团队的代码可以免费下载。"我们希望帮助尽可能多的人回答关于神经元如何运作的问题."博伊登说。(红枫)

《中国科学报》(2016-04-21，第三版国际版)

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