神经植入物同时监测多个大脑区域
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的研究人员进行的一项新研究在回答这一基本神经科学问题方面迈出了第一步。
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——这在该领域尚属首次。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——之间发生了多种双向交流模式。研究人员还表明，这些不同的交流模式与称为尖波涟漪的事件有关，这种涟漪会在睡眠和休息期间发生在海马体中。
“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，并且可以研究其他大脑皮层和皮层下区域，而不仅仅是海马体和大脑皮层。”Duygu Kuzum 教授说。
神经植入物由一个薄的、透明的、柔性的聚合物带组成，该聚合物带由微米大小的金电极阵列制成，铂纳米颗粒沉积在其上。每个电极通过微米级细线连接到定制印刷电路板上。它可以记录大脑深处单个神经元的电信号，如海马体，同时对大脑皮层等大面积区域进行成像。
多项设计功能使多区域监控成为可能。一是这个探头是灵活的。当它被插入大脑深处以监测像海马体这样的区域时，伸出大脑的部分可以向下弯曲，为显微镜降低接近表面的位置腾出空间，以便在大脑皮层进行成像。同时。传统的神经探针是刚性的，因此会妨碍显微镜的观察；因此，它们不能用于在对大脑表面进行成像时监测大脑深层结构。尽管这种神经探针柔软而灵活，但它的设计可承受插入过程中的压力弯曲。另一个重要特点是探头是透明的，因此它为显微镜提供了清晰的视野。它在成像过程中也不会产生任何阴影或额外的噪音。
这项研究的动机是探究大脑中不同认知过程（例如学习和记忆形成）如何发生的根源。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得到解答，因为很难同时研究这两个大脑区域。
研究人员使用他们的探针监测转基因小鼠的海马体和大脑皮层的活动。具体来说，他们监测了海马体中发生称为尖波涟漪的振荡之前、期间和之后的活动。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，有时是海马体。研究人员表示，这是了解大脑区域间交流的重要第一条线索。
“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概念。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，”其中一位研究人员 Chi Ren 博士说。
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