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纳米线阵列——记录神经元活性的新神器

2017.5.08

　　神经元可以接受刺激，产生兴奋并传导兴奋，是神经系统的基础。与神经元相关的疾病种类繁多，其中不少并没有有效的治疗方案。要开发治疗神经系统疾病的药物，一个重要的手段是监测神经元细胞对于候选药物的响应。目前记录神经元活性的方法多利用细胞内外离子浓度的差异，通过测量离子通道电流和细胞内电位的变化来评估神经元的健康状况以及对药物的响应。这种方法对电位变化敏感，且信噪比高。然而，这些技术的缺限在于：会破坏细胞膜并杀死细胞，而且一次只检测一个细胞，难以对大量的神经元组成的神经网络进行研究。

　　日前，由美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Shadi A. Dayeh教授及其团队，开发了一种能够精确记录神经元细胞内活性的纳米线阵列。这种纳米线阵列对神经细胞不会造成破坏，能以高灵敏度和高空间分辨率完成对多个神经元电生理活性的同时记录。另外，这种纳米线阵列的制造方法可以放大，并且可以与标准的集成电路制造技术相结合。这项成果不仅能帮助科学家加深对神经系统疾病机理的了解，还可加快相关药物的开发。相关成果发表于Nano Letters 杂志上。

　　Shadi A. Dayeh教授致力于创造新的方法来集成微纳米级的材料，制造描绘脑图谱的设备，用于临床研究中诊断和治疗神经退行性疾病和神经系统疾病。此前，他的团队与Sanford-Burnham-Prebys研究所合作开发了纳米尺度的传感器，可长期高清晰地检测人类多功能干细胞神经元的神经元活动。

　　纳米线传感器并不是全新的概念，不过此前的技术还不能同时实现高密度和每条纳米线都可单独寻址，也就是说如果纳米线密度太高，就无法保证每条纳米线都可相互独立测量电信号。因此，Shadi A. Dayeh教授发明了一种新方法，将硅纳米线融合到镍电极上。这种方法涉及硅化（silicidation）反应，它能使两种固体材料（硅和另一种金属）在不熔化的状态下就能结合在一起，从而防止了镍电极液化、分散并与相邻电极发生短路（如下图所示）。

高密度纳米线传感器的示意图及其形貌表征

　　纳米线可伸入细胞但不会破坏它们，并且足够敏感，可以测量几毫伏的微小电生理活性变化。研究团队使用这种技术记录了来自小鼠以及人诱导的多能干细胞的神经元的电活性。结果显示，小鼠神经元细胞内电势变化范围为0.1 mV到99 mV，而来自人诱导多能干细胞的神经元细胞内电势变化范围为0.1 mV到35 mV。