神经植入物一次监测多个大脑区域提供新的神经科学见解

在学习和记忆形成过程中，大脑的不同部分如何相互交流?加州大学圣地亚哥分校研究人员的一项新研究为回答这个基本的神经科学问题迈出了第一步。

这项研究是通过开发一种神经植入物来实现的，该植入物可以同时监测大脑不同部位的活动，从表面到深层结构——这是该领域的首创。使用这项新技术，研究人员表明，在已知在学习和记忆形成中发挥作用的两个大脑区域——海马体和大脑皮层之间发生了不同的双向交流模式。研究人员还表明，这些不同的交流模式与称为锐波涟漪的事件有关，这些事件在睡眠和休息期间发生在海马体中。

研究人员在《自然神经科学》上发表了他们的发现。

“这项技术是专门为同时研究不同大脑区域之间的相互作用和交流而开发的，”共同通讯作者、加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院电气和计算机工程教授 Duygu Kuzum 说。“我们的神经植入物用途广泛;它可以应用于大脑的任何区域，并且可以研究其他皮质和皮质下大脑区域，而不仅仅是海马和大脑皮层。”

“人们对不同的大脑区域如何协同工作以产生认知和行为知之甚少，”加州大学圣地亚哥分校医学院和生物科学系神经生物学和神经科学教授 Takaki Komiyama 说，他是该研究的另一位共同通讯作者. “与一次研究一个大脑区域的传统方法相比，本研究中引入的新技术将开始让我们了解大脑作为一个整体如何控制行为以及该过程如何在神经系统疾病中受到损害。”

神经植入物由薄的、透明的、柔性的聚合物条组成，该条由微米尺寸的金电极阵列制成，铂纳米颗粒已沉积在其上。每个电极都通过微米细的电线连接到定制的印刷电路板。Kuzum 的实验室开发了这种植入物。他们与 Komiyama 的实验室合作，对转基因小鼠进行脑成像研究。

设计多用途神经探针

这种神经植入物的独特之处在于它可用于同时监测多个大脑区域的活动。它可以记录来自大脑深处单个神经元(如海马体)的电信号，同时对大脑皮层等大面积区域进行成像。

“我们的探针使我们能够在同一个实验中无缝地结合这些模式。这是目前的技术无法做到的，”电气和计算机工程博士 Xin Liu 说。Kuzum 实验室的学生。Liu 和 Chi Ren 是该研究的共同第一作者，Chi Ren 是加州大学圣地亚哥分校最近的生物科学博士。研究生，现为小宫山实验室博士后研究员，电气与计算机工程博士陆奕辰。Kuzum 实验室的学生。

多种设计特点使多区域监测成为可能。一是这种探头是灵活的。当它被插入到大脑深处以监测像海马体这样的区域时，从大脑中伸出的部分可以向下弯曲，为显微镜留出空间靠近表面进行大脑皮层的成像。同时。传统的神经探针是刚性的，所以它们会妨碍显微镜;因此，在对大脑表面进行成像时，它们不能用于监测深部大脑结构。尽管加州大学圣地亚哥分校团队的神经探针柔软而灵活，但它的设计可在插入过程中承受压力下的屈曲。

另一个重要的特点是这个探头是透明的，所以它给显微镜一个清晰的视野。它也不会在成像过程中产生任何阴影或额外的噪音。

探索基本的神经科学问题

这项研究的动机是了解不同认知过程(例如学习和记忆形成)在大脑中是如何发生的。这些过程涉及海马体和大脑皮层之间的交流。但是这种交流究竟是如何发生的呢?哪个大脑区域启动了这种交流：海马体还是大脑皮层?Kuzum 说，这些类型的问题一直没有答案，因为很难同时研究这两个大脑区域。

“我们对研究皮质-海马相互作用的性质很感兴趣，所以我们建立了一项技术来探索这个神经科学问题，”她说。

研究人员使用他们的探针来监测转基因小鼠海马体和大脑皮层的活动。具体来说，他们在海马体中发生称为锐波波纹的振荡之前、期间和之后监测了活动。

他们的实验表明，海马体和大脑皮层之间的交流是双向的：有时是皮层发起交流，有时则是海马体。研究人员说，这是理解大脑区域间交流的重要第一条线索。

“海马-皮层相互作用在记忆巩固和检索中很重要，”任说。“我们在这里报道的双向交流不同于传统的大脑皮层被动接收来自海马体的信息的观念。相反，皮层积极参与将信息编码到大脑中，并可能在记忆巩固和检索过程中发挥指导作用。”

“我们现在可以开始新的研究，以解开学习和记忆等过程是如何发生的，”库祖姆说。“例如，当大脑获取新信息时，海马体如何将记忆转移到皮层进行存储，或者皮层是否发出提示转移记忆?我们的研究结果表明，沟通可以由任一个发起，但要超越这一点，我们需要进行行为研究。”

这项研究还表明，海马体和大脑皮层之间存在多种不同的交流方式。研究人员发现，每次出现尖波涟漪时，海马体都会与大脑皮层的至少八个不同部分进行交流。此外，这八种皮层活动模式中的每一种都与海马中不同的神经元群有关。

“这些发现表明，大脑区域之间的相互作用，不仅是皮层和海马体之间的相互作用，还可以从根本上多样化和灵活。因此，多个大脑区域可以有效地协同工作，产生快速适应不断变化的环境的认知和行为，”任说。