神经植入同时监测多个大脑区域，提供了新的神经科学见解

在学习和记忆形成过程中，大脑的不同部分是如何相互沟通的?加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的研究人员开展的一项新研究，为回答这个神经科学基础问题迈出了第一步。

通过开发一种监测不同部分的活动的神经植入物来实现这一研究大脑与此同时，从地表构造到深部构造，在这一领域尚属首次。利用这项新技术，研究人员发现，在学习和记忆形成中起作用的两个大脑区域——海马体和大脑之间，存在着多种双向交流模式皮质。研究人员还表明，这些不同的通信模式与称为尖锐波纹涟漪的事件绑定，在睡眠和休息期间发生在海马中。

研究人员于4月19日发表了他们的研究结果自然神经科学。

“这项技术是专门为同时研究不同大脑区域之间的互动和交流而开发的，”共同通讯作者Duygu Kuzum说，他是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的电子和计算机工程教授。“我们的神经植入物是多功能的;它可以应用于大脑的任何区域，不仅可以用于海马体和大脑皮层，还可以用于其他大脑皮层和皮层下区域的研究。”

加州大学圣地亚哥分校医学院和生物科学部神经生物学和神经科学教授小宫山隆(Takaki Komiyama)是这项研究的另一名通讯作者，他说:“我们对大脑的不同区域是如何协同产生认知和行为的知之甚少。”“与每次研究一个大脑区域的传统方法不同，这项研究中引入的新技术将让我们开始了解大脑作为一个整体是如何控制行为的，以及这一过程如何在神经疾病中受损。”

神经植入物由薄，透明，柔性的聚合物条制成，所述薄型均匀的金电极阵列，铂纳米颗粒已经沉积在玻璃颗粒上。每个电极通过微米薄线连接到定制印刷电路板。Kuzum的实验室开发了植入物。他们与Komiyama的实验室合作，在转基因小鼠中进行脑成像研究。

工程一个多用途神经探头

这种神经植入物的独特之处在于，它可以同时监测大脑多个区域的活动。它可以记录电信号从大脑深处的单个神经元，比如海马体，再到大面积的大脑皮层。

“我们的探索使我们能够在同一实验中无缝地结合这些模式。在库赞姆实验室攻读电子和计算机工程博士学位的刘欣(音)说。Liu是这项研究的共同第一作者，其中包括刚从加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)获得生物科学博士学位、目前在小宫山实验室从事博士后研究的Ren Chi，以及Kuzum实验室的电气和计算机工程博士研究生Yichen Lu。

多个设计特性使多区域监控成为可能。一是这种探针是灵活的。深插入时大脑监测区域像海马体,伸出的部分大脑可以弯下腰,使显微镜的空间降低接近表面的成像大脑皮层的同时。传统的神经探针是刚性的，所以它们会挡住显微镜的视线;因此，它们不能用于监测大脑深层结构，同时成像大脑表面。尽管加州大学圣地亚哥分校的团队神经探针它是柔软的和灵活的，它是设计承受屈曲在压力下插入。

另一个重要的特点是这个探针是透明的，所以它给了显微镜一个清晰的视野。它在成像过程中也不会产生任何阴影或额外的噪声。

探索基本的神经科学问题

这项研究的动机是寻找不同的认知过程，如学习和记忆的形成，在大脑中如何发生的根源。这些过程包括海马体和大脑皮层之间的通信。但是这种交流到底是如何发生的呢?是哪个大脑区域开始了这种交流:海马体还是大脑皮层?库赞姆说，这些类型的问题还没有得到解答，因为同时研究这两个大脑区域非常困难。

她说:“我们对研究皮质-海马相互作用的本质很感兴趣，所以我们发明了一种技术来探索这个神经科学问题。”

研究人员使用探针监测转基因小鼠中海马和脑皮质的活性。具体地，它们在海马中发生的振荡之前，期间和之后监测活动，称为尖锐波浪纹波。

他们的实验表明，海马和脑皮层之间的沟通是双面的：有时皮质启动沟通，其他时间是海马。研究人员说，这是一个重要的第一个关于了解大脑中区域间通信的重要信息。

“海马 - 皮质互动在内存整合和检索中很重要，”仁说。“我们在此报告的双面通信与Cortex被动地从海马接收信息的传统概念不同。相反，Cortex被主动地将信息编码到大脑中，并且可能在内存整合和检索期间发挥指导作用。“

“我们现在可以开始新的研究，来解开学习和记忆等过程是如何发生的，”库赞姆说。“例如，当大脑获得新信息时，海马体是如何将记忆传递给大脑皮层存储的，或者大脑皮层是否会发送一个信号来传递记忆?”我们的研究结果表明，沟通可以由任何一方发起，但要想更进一步，我们还需要做行为研究。”

本研究还揭示了中国现代教育模式的多样性和独特性沟通在海马和脑皮层之间。研究人员发现海马与至少八个不同的部分沟通脑皮质每次发生尖锐波纹。此外，这八种皮质活性模式中的每一个与海马中的不同的神经元群相关。

“这些研究结果表明，脑区之间的相互作用，不仅在皮质和海马之间，可以从根本上多样化和灵活。因此，多个大脑区域仁说，可以有效地共同努力，以产生快速适应不断变化的环境的认知和行为。“

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