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記者5月22日從南開大學(xué)獲悉，該校人工智能學(xué)院趙新教授團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的機(jī)器人化主動膜片鉗系統(tǒng)，與山東中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心團(tuán)隊(duì)合作，成功記錄了清醒狨猴的神經(jīng)元電生理信號。這是國際上首次將機(jī)器人化主動膜片鉗技術(shù)應(yīng)用于清醒非人靈長類動物的大腦電生理信號探測，相關(guān)成果發(fā)表于《微系統(tǒng)與納米工程》，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的精密科研儀器已具備實(shí)際應(yīng)用能力。

據(jù)了解，神經(jīng)元是大腦最基本的功能單位。人類大腦擁有近860億個神經(jīng)元，這些細(xì)胞通過沿著軸突傳遞電脈沖相互“交流”，構(gòu)成了行為和認(rèn)知的物理基礎(chǔ)。

想要解開大腦的奧秘，首先要聽懂神經(jīng)元的“私語”。被譽(yù)為“可以傾聽細(xì)胞聲音”的膜片鉗技術(shù)，是獲取單細(xì)胞電生理信號的關(guān)鍵手段，已成為解開各種復(fù)雜的腦科學(xué)問題謎團(tuán)的鑰匙之一。

榮獲1991年諾貝爾獎的膜片鉗技術(shù)，能夠通過一根極細(xì)的玻璃微電極，輕輕吸附在細(xì)胞膜上形成高電阻封接，像“聽診器”一樣精準(zhǔn)檢測神經(jīng)元之間微弱的電生理信號，被公認(rèn)為腦科學(xué)研究的“金標(biāo)準(zhǔn)”。

然而，在清醒非人靈長類動物身上實(shí)現(xiàn)膜片鉗“微米級的貼合”幾乎是人工操作的極限。相比于麻醉狀態(tài)下的相對靜止，清醒狀態(tài)下動物的大腦皮層是一個極其“復(fù)雜動蕩”的環(huán)境，對操作精度和響應(yīng)速度提出了更高要求。目前僅憑人工操作，經(jīng)常性出現(xiàn)“操作盲、定位缺、動作拙、檢測難、跟不上”等問題，嚴(yán)重制約了腦科學(xué)研究的規(guī)?；綔y。因此，以標(biāo)準(zhǔn)化、高精度的機(jī)器人替代人工，成為推動該技術(shù)發(fā)展的重要方向。

“研發(fā)機(jī)器人化主動膜片鉗系統(tǒng)，不僅能降低實(shí)驗(yàn)成本、提升成功率，還能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、智能化的全流程自主操作，攻克這一制約腦科學(xué)發(fā)展的技術(shù)瓶頸?！壁w新說。

針對清醒動物實(shí)驗(yàn)中腦組織微震顫帶來的干擾，研究團(tuán)隊(duì)研制了面向膜片鉗操作的清醒動物頭部主動固定裝置，突破了活體神經(jīng)元動態(tài)追蹤技術(shù)，確保“跟得上”。通過對在體環(huán)境熒光染料注射、擴(kuò)散與發(fā)光建模，團(tuán)隊(duì)突破了大腦皮層環(huán)境動態(tài)熒光成像技術(shù)，并基于雙光子顯微圖像突破了大腦環(huán)境三維重建與目標(biāo)障礙物精準(zhǔn)定位技術(shù)，做到“顯示清”“定位準(zhǔn)”。

在路徑規(guī)劃方面，研究團(tuán)隊(duì)通過腦組織環(huán)境軌跡勢場和應(yīng)變建模，突破在體環(huán)境電極主動軌跡規(guī)劃與避障技術(shù)，讓膜片鉗“動得巧”，靈活穿行于復(fù)雜的大腦皮層間。

在操作執(zhí)行環(huán)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)基于多物理場建模，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞緊密貼附、平穩(wěn)封接、低擾動定量破膜、平衡膜片剝離和精準(zhǔn)檢測。

“這相當(dāng)于賦予機(jī)器人接近外科醫(yī)生水平的精細(xì)操作能力，在確保對細(xì)胞傷害降至最低的同時，實(shí)現(xiàn)了電信號的精準(zhǔn)檢測?！眻F(tuán)隊(duì)成員之一、南開大學(xué)人工智能學(xué)院副教授趙啟立說。

依托該系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)不僅在國際上首次完成清醒狨猴機(jī)器人化膜片鉗實(shí)驗(yàn)，還利用該系統(tǒng)開展了阿爾茨海默病模型小鼠的研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了其在不同動物模型中的廣泛適用性與推廣潛力。

目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了覆蓋貼壁細(xì)胞、腦片、小鼠、大鼠及清醒狨猴等多類對象的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，完成了包括全細(xì)胞式在內(nèi)的五種基本記錄方式的自動化操作流程。

趙新表示：“面向清醒動物腦科學(xué)研究的機(jī)器人化主動膜片鉗系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，有助于降低當(dāng)前腦科學(xué)研究的技術(shù)門檻，讓大規(guī)模、精準(zhǔn)化的膜片鉗探測成為可能，為我國開展細(xì)胞級、亞細(xì)胞級的高精度腦科學(xué)研究提供重要技術(shù)支撐?！?/p>

（南開大學(xué)供圖）