一项革命性的神经科技突破解决了历史性的工程瓶颈，使科学家能够同时记录和操控活体大脑深处的单个神经元活动。这款名为Neuropixels Opto的设备将大规模电生理学与精确的光遗传学光控技术融合在一根比人类头发还细的单硅探针上。
在哺乳动物小鼠模型中测试的这款新一代探针，已经颠覆了关于大脑皮层结构的长期假设，为解码阿尔茨海默病、精神分裂症和帕金森病等疾病背后的电路紊乱提供了高分辨率工具。
关键事实
统一神经接口：传统上，神经科学家被迫采用"观察或控制"的方式处理大脑：使用单独的电生理探针来监听原始电信号，使用光遗传学技术通过光来操控这些信号。将这些工具结合用于皮层下结构深处而不破坏敏感的电记录，一直是一个不可能的工程障碍，直到现在。
微发丝硅架构：Neuropixels Opto将大约1,000个紧密排列的微记录位点与微型发光器阵列集成在一根比人类头发还细的单硅探针上。这使研究人员能够捕获高分辨率电信号，同时在多个深脑位点同步进行精确的目标光刺激。
1500万英镑全球联盟：这一突破是惠康基金会、艾伦研究所和国际合作伙伴资助的1500万英镑规模技术计划的一部分。该项目由伦敦大学学院眼科研究所的视觉神经科学先驱马泰奥·卡拉迪尼教授和联合首席作者卡罗琳娜·索查博士领导。
打破皮层互联神话：索查博士利用Neuropixels Opto对大脑皮层进行检测时，发现了一个惊人的生物学惊喜。神经科学家长期以来假设皮层神经元相互连接如此紧密，以至于刺激一小簇神经元不可避免地会在邻近网络中引发级联波。Neuropixels Opto证明皮层神经元可以表现出显著的局部性和极端独立的自主性。
确定绝对因果关系：通过赋予研究者选择性激活或沉默特定类型细胞的能力，同时在同一实验中实时追踪周围电路的反应，Neuropixels Opto使神经科学超越了简单的相关性研究。它提供了一个活动画布，用于精确绘制单个细胞如何驱动感知、学习和决策过程。
脑部疾病的诊断蓝图：复杂的神经和精神疾病——包括阿尔茨海默病、精神分裂症和帕金森病——都是由电路通信的深刻紊乱驱动的。通过提供健康和疾病状态下神经网络的高分辨率视图，这一开放工具帮助全球科学界设计超靶向的医疗干预措施。
消息来源：伦敦大学学院
伦敦大学学院科学家联合开发的一项突破性技术，能够同时记录和操控大脑深处的神经元活动，有望彻底改变我们对神经回路和阿尔茨海默病、精神分裂症等神经疾病的理解。
该设备被称为Neuropixels Opto，在小鼠身上进行研究，整合了两种强大但传统上分离的技术——电生理学（研究活细胞电活动）和光遗传学（结合遗传学和光学来控制细胞）。它们形成一个单一探针，使研究人员以前所未有的洞察力了解大脑中单个神经元的功能和相互作用。
![集成Neuropixels Opto硅探针在单根发丝细的探针上结合了约1,000个记录位点和微型发光器，实现深脑回路的同时测量和光遗传学操控，揭示细胞的局部自主性。](
集成Neuropixels Opto硅探针在单根发丝细的探针上结合了约1,000个记录位点和微型发光器，实现深脑回路的同时测量和光遗传学操控，揭示细胞的局部自主性。图片来源：Neuroscience News
发表在《自然方法》杂志上的这一系统，使研究人员能够监测数百个神经元的电活动，同时使用光选择性地激活或沉默特定细胞。
该研究由伦敦大学学院和美国西雅图艾伦研究所的科学家领导的国际团队开发，是惠康基金会、艾伦研究所和其他合作伙伴资助的1500万英镑项目的一部分，旨在研究Neuropixels探针技术。
科学家认为，Neuropixels Opto可以通过揭示单个神经元如何在复杂回路中相互作用以驱动行为、感知和疾病，彻底改变我们对大脑的理解。
联合作者马泰奥·卡拉迪尼教授（伦敦大学学院眼科研究所）表示："大脑通过复杂的电活动模式处理信息，数十亿神经元通过快速电信号进行通信。了解这些信号如何产生行为、思想和疾病需要能够同时观察和影响神经活动的工具。"
"到目前为止，科学家通常依赖于分离的方法：电生理探针记录神经活动，光遗传学控制神经活动。将两者结合起来已被证明具有挑战性，特别是在大脑深层区域，因为在不干扰敏感记录的情况下传递光在技术上非常困难。"
"Neuropixels Opto通过将两种能力集成到一个设备中，克服了这些限制，实现了神经回路的同时测量和操控。"
比人类头发还细的探针
该技术的核心是一个比人类头发还细的硅探针，配备了数百个记录位点以及微型发光器。
这些功能使探针能够捕获沿其长度分布的神经元的详细电信号，同时在大脑的多个位点提供精确的目标光刺激。
作为伦敦大学学院视觉神经科学教授，卡拉迪尼补充道："这使我们首次能够直接测试特定神经元如何影响周围回路的活动——揭示神经活动与大脑功能之间的因果关系。"
"在同一实验中同时记录和控制神经活动的能力代表了神经科学的重大进步。"
伦敦大学学院眼科研究所研究员、联合首席作者卡罗琳娜·索查博士已经开始使用这些探针研究大脑皮层的功能——负责大脑许多最先进能力的部分。她在小鼠研究中发现了一些令人惊讶的观察结果。
"通过在监测附近细胞反应的同时选择性激活或沉默特定类型的神经元，我们可以开始绘制大脑不同组件如何协同工作以产生行为，"她说。
"我们惊讶地发现皮层中神经元的活动可以非常局部化。到目前为止，我们认为神经元相互连接如此紧密，以至于无法激活其中一些而不激活许多其他神经元。新的Neuropixels Opto探针显示，这些神经元不仅可以协同工作，而且还可以相当独立地运作。"
这种方法有望解决神经科学中长期存在的问题，包括信息如何在大脑区域间处理，以及特定神经回路如何促进感知、学习和决策。
对研究脑部疾病的启示
该技术也可能对理解神经和精神疾病产生重要影响。
包括精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病在内的许多疾病都与神经元通信的紊乱有关。通过提供健康和疾病状态下神经回路如何运作的更清晰图景，Neuropixels Opto可以支持开发更有针对性的治疗方法。
Neuropixels Opto的开发涉及美国、英国和欧洲的机构以及工程合作伙伴之间的广泛合作。
这项工作是开发先进工具以大规模研究大脑的更广泛努力的一部分，旨在使高分辨率、大规模神经记录对全球研究人员更加可及。
神经科学工具的前进一步
Neuropixels是下一代硅探针，其作用类似于微型电极，使科学家能够同时记录不同脑区数百个神经元的电活动。
通过在超薄探针上排列约1,000个紧密排列的记录位点，它们能够捕获来自单个脑细胞的高分辨率信号，同时监测大型神经网络。
解答关键问题：
问：为什么神经科学家历史上无法同时读取和写入脑信号？
答：因为控制脑细胞所需的设备会系统性地"致盲"试图监听它们的设备。科学家使用金属电极记录电脉冲，使用光遗传学（光激活蛋白）控制神经元。然而，试图将光深入脑组织而不产生大量电噪声并干扰敏感记录位点，已被证明是一个巨大的工程死胡同。
问：Neuropixels Opto探针如何在硅片上物理挤压数百个光发射器和记录器？
答：通过利用最先进的微硅工程技术构建比人类头发还细的接口。该探针由沿其超薄轴排列的大约1,000个紧密排列的微型记录节点构建而成。这些记录器之间直接交织着微型光发射器，使单根细线能够同时充当高清晰度麦克风和目标聚光灯。
问：这种新设备揭示了关于人类大脑的什么内容，完全出乎研究团队的意料？
答：它证明脑细胞比我们想象的要独立得多。几十年来，科学共识认为我们大脑皮层中的神经元相互连接如此紧密，以至于激活几个神经元会自动在整个周围网络中触发大规模、同步的多米诺骨牌效应。Neuropixels Opto证明这些神经元实际上可以以精确的局部化方式切换它们的活动，完全独立地在休息细胞旁边运作。
编辑注：
- 本文由Neuroscience News编辑编辑。
- 完整审阅了期刊论文。
- 我们的工作人员增加了额外的背景信息。
关于这项神经技术研究新闻
作者：Henry Killworth
来源：伦敦大学学院
联系人：Henry Killworth – 伦敦大学学院
图片：图片归Neuroscience News所有
原始研究：不可公开访问。
"Neuropixels Opto：结合高分辨率电生理学和光遗传学"，作者：Anna A. Lakunina, Karolina Z. Socha, Alexander E. Ladd等。《自然方法》
DOI:10.1038/s41592-026-03076-z
摘要
高分辨率细胞外电生理学是记录分布式神经元群体尖峰的黄金标准，当与光遗传学结合以高时间分辨率操控特定细胞类型时，效果尤为强大。
我们将这些方法集成到Neuropixels Opto探针原型中，该探针结合了电子和光子电路。这些设备在一个70微米宽、1厘米长的探针上集成了960个电记录位点和两组14个光发射器，允许使用蓝光和红光进行空间可寻址的光遗传学刺激。
在小鼠皮层中，Neuropixels Opto探针提供了高质量记录以及空间可寻址的光遗传学，不同地激活或沉默不同皮层层的神经元。
在小鼠纹状体和其他深层结构中，Neuropixels Opto探针提供了有效的光标记，促进了两种细胞类型的并行识别。Neuropixels Opto探针代表了一种有前景的工具，用于记录、识别和操控神经元群体。
【全文结束】
