神經植入物一次監測多個大腦區域提供新的神經科學見解

在學習和記憶形成過程中，大腦的不同部分如何相互交流?加州大學圣地亞哥分校研究人員的一項新研究為回答這個基本的神經科學問題邁出了第一步。

這項研究是通過開發一種神經植入物來實現的，該植入物可以同時監測大腦不同部位的活動，從表面到深層結構——這是該領域的首創。使用這項新技術，研究人員表明，在已知在學習和記憶形成中發揮作用的兩個大腦區域——海馬體和大腦皮層之間發生了不同的雙向交流模式。研究人員還表明，這些不同的交流模式與稱為銳波漣漪的事件有關，這些事件在睡眠和休息期間發生在海馬體中。

研究人員在《自然神經科學》上發表了他們的發現。

“這項技術是專門為同時研究不同大腦區域之間的相互作用和交流而開發的，”共同通訊作者、加州大學圣地亞哥雅各布斯工程學院電氣和計算機工程教授 Duygu Kuzum 說。“我們的神經植入物用途廣泛;它可以應用于大腦的任何區域，并且可以研究其他皮質和皮質下大腦區域，而不僅僅是海馬和大腦皮層。”

“人們對不同的大腦區域如何協同工作以產生認知和行為知之甚少，”加州大學圣地亞哥分校醫學院和生物科學系神經生物學和神經科學教授 Takaki Komiyama 說，他是該研究的另一位共同通訊作者. “與一次研究一個大腦區域的傳統方法相比，本研究中引入的新技術將開始讓我們了解大腦作為一個整體如何控制行為以及該過程如何在神經系統疾病中受到損害。”

神經植入物由薄的、透明的、柔性的聚合物條組成，該條由微米尺寸的金電極陣列制成，鉑納米顆粒已沉積在其上。每個電極都通過微米細的電線連接到定制的印刷電路板。Kuzum 的實驗室開發了這種植入物。他們與 Komiyama 的實驗室合作，對轉基因小鼠進行腦成像研究。

設計多用途神經探針

這種神經植入物的獨特之處在于它可用于同時監測多個大腦區域的活動。它可以記錄來自大腦深處單個神經元(如海馬體)的電信號，同時對大腦皮層等大面積區域進行成像。

“我們的探針使我們能夠在同一個實驗中無縫地結合這些模式。這是目前的技術無法做到的，”電氣和計算機工程博士 Xin Liu 說。Kuzum 實驗室的學生。Liu 和 Chi Ren 是該研究的共同第一作者，Chi Ren 是加州大學圣地亞哥分校最近的生物科學博士。研究生，現為小宮山實驗室博士后研究員，電氣與計算機工程博士陸奕辰。Kuzum 實驗室的學生。

多種設計特點使多區域監測成為可能。一是這種探頭是靈活的。當它被插入到大腦深處以監測像海馬體這樣的區域時，從大腦中伸出的部分可以向下彎曲，為顯微鏡留出空間靠近表面進行大腦皮層的成像。同時。傳統的神經探針是剛性的，所以它們會妨礙顯微鏡;因此，在對大腦表面進行成像時，它們不能用于監測深部大腦結構。盡管加州大學圣地亞哥分校團隊的神經探針柔軟而靈活，但它的設計可在插入過程中承受壓力下的屈曲。

另一個重要的特點是這個探頭是透明的，所以它給顯微鏡一個清晰的視野。它也不會在成像過程中產生任何陰影或額外的噪音。

探索基本的神經科學問題

這項研究的動機是了解不同認知過程(例如學習和記憶形成)在大腦中是如何發生的。這些過程涉及海馬體和大腦皮層之間的交流。但是這種交流究竟是如何發生的呢?哪個大腦區域啟動了這種交流：海馬體還是大腦皮層?Kuzum 說，這些類型的問題一直沒有答案，因為很難同時研究這兩個大腦區域。

“我們對研究皮質-海馬相互作用的性質很感興趣，所以我們建立了一項技術來探索這個神經科學問題，”她說。

研究人員使用他們的探針來監測轉基因小鼠海馬體和大腦皮層的活動。具體來說，他們在海馬體中發生稱為銳波波紋的振蕩之前、期間和之后監測了活動。

他們的實驗表明，海馬體和大腦皮層之間的交流是雙向的：有時是皮層發起交流，有時則是海馬體。研究人員說，這是理解大腦區域間交流的重要第一條線索。

“海馬-皮層相互作用在記憶鞏固和檢索中很重要，”任說。“我們在這里報道的雙向交流不同于傳統的大腦皮層被動接收來自海馬體的信息的觀念。相反，皮層積極參與將信息編碼到大腦中，并可能在記憶鞏固和檢索過程中發揮指導作用。”

“我們現在可以開始新的研究，以解開學習和記憶等過程是如何發生的，”庫祖姆說。“例如，當大腦獲取新信息時，海馬體如何將記憶轉移到皮層進行存儲，或者皮層是否發出提示轉移記憶?我們的研究結果表明，溝通可以由任一個發起，但要超越這一點，我們需要進行行為研究。”

這項研究還表明，海馬體和大腦皮層之間存在多種不同的交流方式。研究人員發現，每次出現尖波漣漪時，海馬體都會與大腦皮層的至少八個不同部分進行交流。此外，這八種皮層活動模式中的每一種都與海馬中不同的神經元群有關。

“這些發現表明，大腦區域之間的相互作用，不僅是皮層和海馬體之間的相互作用，還可以從根本上多樣化和靈活。因此，多個大腦區域可以有效地協同工作，產生快速適應不斷變化的環境的認知和行為，”任說。