看見機器人學習研究哺乳動物腦細胞的棘手技術

全細胞膜片鉗電生理學或全細胞記錄(WCR)是用于研究在不同大腦狀態(例如壓力或學習)下稱為神經元的腦細胞行為的金標準技術。

該方法自20世紀70年代開發以來一直用于哺乳動物。它有助于科學家了解腦功能和腦紊亂，如阿爾茨海默氏癥。他們通過觀察活體哺乳動物大腦中單個神經元的電活動來建立其作為整個器官的功能的更大圖景來實現這一點。該信息用于理解電功能在人腦疾病中的作用。

然而，由于設備的小規模和所涉及的細胞的微觀性質，WCR在執行方面是眾所周知的挑戰。它還需要非常精確的運動才能找到神經元，然后準確記錄它們的電流。因此，全世界只有少數實驗室專門研究該技術。

現在，由倫敦帝國理工學院的Simon Schultz教授和Luca Annecchino博士領導的科學家團隊首次開發了一種機器人和計算機程序，可以將稱為微量移液器的微小測量裝置引導到活鼠的大腦中的特定神經元并記錄下來。電流，都沒有人為干預。這是第一個報告完全自動化的平臺。

資深作者Schultz教授說：“要把大腦理解為整個器官，我們需要知道神經元是如何工作和相互溝通的。神經元本身就是復雜的結構，利用電子和分子信號向鄰近的神經元發送信息，大腦作為一個整體結構。神經元的行為也有所不同，取決于它們是否健康或由于某些腦部疾病而無法完全發揮作用.WCR技術是一種竊聽這些細胞以及它們如何與鄰居交流的方法。

“然而，肉眼無法看到的結構需要非常精確和準確的方法來測量它們。到目前為止我們已經成功地完成了這項工作，但現在我們已經教過機器人”看到“神經元并執行程序這意味著WCR現在可以在更大規模上進行，這可以加速我們對大腦及其疾病的學習。“

進行WCR的常規方法涉及科學家用熒光蛋白或染料標記特定神經元。他們通過引導機械臂到達神經元來實現這一目標。這是通過用填充有導電流體的移液管將電脈沖發送到大腦中來完成的。脈沖擴散到大腦中，直到微量移液管接近神經元，這產生電信號阻斷，告訴人或機器人操作員何時停止移動微量移液管。

此時，微量移液管夾在細胞外部，使用抽吸脈沖脈沖穿透膜。然后它從神經元向上傳導通過微量移液管的任何電信號，并通過導電流體傳導到計算機中。

來自帝國生物工程系的Schultz教授的研究中報告的新方法和他的同事們展示了機器人如何在沒有任何人為輸入的情況下自動完成這項工作。

該團隊將他們的技術與傳統方法進行了比較，發現機器人比人類機器人更快，更準確。該研究結果發表在Neuron雜志上。

自動化可能意味著該技術可以在世界范圍內更廣泛地執行，甚至在沒有該技術專業知識的實驗室中也可以。

主要作者Annecchino博士說：“雖然這種方法已經存在了很多年，但我們人類仍然發現它很難完成。但是，它在教我們哺乳動物的大腦方面非常有價值，它是機器人的理想候選者。我們計劃將該計劃商業化，以便全世界的研究都能從中受益。“

接下來，研究人員將研究大腦回路如何被阿爾茨海默病中的淀粉樣斑塊所擾亂。Annecchino博士補充說：“最終，阿爾茨海默氏癥的問題是由于個體腦細胞網絡信息處理能力的變化所致。這正是我們可以用這種技術監測的。”