讀取記憶的「流蘇USB」

近年來，大家對一些智力比拼的節目關注越來越高。在緊張的氣氛中，有人能從成千上萬的小色塊中找出顏色變化的那一塊，有人能夠在很短的時間內記住上百個人的指紋……這些「特異功能」都離不開選手們超凡的「工作記憶」能力。在對選手們的表現嘆為觀止的同時，我們不禁好奇——在發生「工作記憶」時，我們的大腦是如何運轉的呢？

工作記憶，顧名思義，就是工作中的記憶。它就像電腦里的臨時緩存，存放著很多思維的中間結果。神經元細胞是大腦的基本功能單元，大腦通過神經元細胞的電活動進行信息的傳遞、轉換和整合，進而完成各種功能，包括感知覺、學習、記憶、抉擇和運動控制等。要理解大腦如何實現「工作記憶」的機制，需要對參與「工作記憶」的神經元細胞進行詳細記錄。

近日，中科院腦科學與智能技術卓越創新中心、國家納米科學中心方英研究員和神經科學研究所李澄宇研究員及其團隊發展了一種柔性「神經流蘇」電極，它可以對參與「工作記憶」的神經元細胞進行高時空解析度、穩定的記錄。

奇思妙想，原來「流蘇」可以這樣玩

這種「神經流蘇」由上千根超細的柔性神經纖維電極組成。每一根柔性神經纖維電極的截面只有3X1.5平方微米，達到了神經元軸突的尺寸，比目前國際上報道的最小值還要小一個數量級。「神經流蘇」的尺寸如此之小，還特別柔軟，那麼問題來了——如何將 「神經流蘇」電極成功植入大腦內部，而且還不會對大腦造成嚴重的損傷呢？

讓我們先回想一下日常生活中洗頭髮的情景：浸泡在水中時，頭髮往往會向四處散開；離開水面後，頭髮則會聚攏到一起，形成一小束。受此啟發，研究人員大膽猜想，或許可以把水換成其他液體，這種液體在空氣中凝固變硬，在大腦里卻會安全降解代謝，這樣就可以滿足植入大腦的需求，而且電極在植入後也會恢復柔軟狀態。

高分子聚乙二醇，就是這樣一種奇妙而又常規的液體。通過精巧的設計，「神經流蘇」被浸沒在熔融的聚乙二醇液體中，在液體表面張力的作用下，上千根柔性神經纖維電極自組裝形成高密度神經電極/聚乙二醇複合細絲，從而極大地降低了植入過程中對大腦的損傷，釋放後的超細柔性神經纖維電極能夠原位、精準測量清醒大腦內側前額葉皮層中多個神經元的電活動。尤其重要的是，「神經流蘇」與腦組織的力學性能相匹配，因此形成了相容性良好的界面，從而實現了對大腦中神經元電活動的長期穩定記錄。

(a)柔性神經流蘇的自組裝過程；(b)組裝後的柔性神經流蘇；(c)柔性神經流蘇電極截面圖；(d)柔性神經流蘇對活體神經信號的長期穩定記錄；(e)柔性神經流蘇與腦組織的相容性界面。

研究人員將柔性「神經流蘇」電極植入小鼠的大腦內側前額葉皮層，隨後設計引導小鼠學習一種嗅覺工作記憶任務及一系列相關對照實驗，從而研究小鼠在學習工作記憶任務期間內側前額葉皮層的神經元活動。結果表明，「神經流蘇」電極相比傳統微絲電極而言，能夠更穩定地記錄同一批神經元的信號。這有助於獲取更多有關小鼠在學習成績上升過程中神經元發放特性變化的細節，對深入了解與認知功能相關的神經機制大有幫助。

(a) 小鼠嗅覺工作記憶任務的示意圖; (b) 小鼠對於該嗅覺工作記憶任務的學習曲線 ;(c) 神經流蘇與傳統微絲電極的性能對比; (d) 神經流蘇對於同一個神經元穩定的跨天記錄 ;(e) 兩個神經元跨天變化發放特性的熱圖。

大腦就像一座寶藏，蘊藏奧秘魅力無窮，吸引著越來越多的人們加入尋寶之隊。而柔性神經流蘇好比一束光，照耀了前進的道路，為研究大腦功能提供了全新的思路與解決方案，不僅將推動抑鬱症、帕金森病、精神分裂症及阿爾茲海默症等一系列神經系統疾病的積極治療，還為開發腦機介面（BCI）帶來了全新的希望。

隨著腦科學的不斷發展，基礎理論的突破，伴隨著像柔性神經流蘇這樣的技術創新，相信在不久的將來，每一個人都可能成為阿凡達，通過意念控制機器，讓失聰的人恢復部分聽力，讓殘疾人恢復肢體系統都有望成為現實。

相關論文「Elastocapillary self-assembled neurotassels for stable neural activity recordings」（《自組裝柔性神經流蘇對神經電活動的穩定測量》）發表在Science Advances（Science Advances, 2019, 5, eaav2842）上。

來源：中國科學院國家納米科學中心

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