近日，北京大學(xué)段小潔團(tuán)隊(duì)在《Nature Neuroscience》上發(fā)表了一篇題為“A high-density 1,024-channel probe for brain-wide recordings in non-human primates”的研究論文，展示了一種高密度、1024通道神經(jīng)探針——Neuroscroll探針。該探針由格羅貝爾生物公司代理的 BrainSight® Vet Robot 智能動(dòng)物手術(shù)機(jī)器人規(guī)劃手術(shù)路徑，成功實(shí)現(xiàn)了非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物整腦尺度神經(jīng)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)工作的第一作者為北京大學(xué)博士后劉楊、博士生賈薈琳和特聘副研究員孫洪吉，通訊作者為北京大學(xué)研究員段小潔。

Neuroscroll探針：突破性的高密度神經(jīng)記錄

Neuroscroll探針：突破性的高密度神經(jīng)記錄

Neuroscroll探針的設(shè)計(jì)結(jié)合了高密度通道和靈活的記錄位點(diǎn)分布，使其能夠覆蓋非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的大腦尺度。探針長(zhǎng)度可根據(jù)需求調(diào)節(jié)，從10 mm到90 mm不等，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和重復(fù)彎曲后的完整性。這使得Neuroscroll探針在多腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的同步監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)了出色的性能。這種探針在大鼠上可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)兩年的穩(wěn)定記錄，并在獼猴大腦中實(shí)現(xiàn)了從腦表面皮層至顱底全深度覆蓋的超700個(gè)單神經(jīng)元活動(dòng)的同時(shí)監(jiān)測(cè)。

靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中的手術(shù)與記錄

靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中的手術(shù)與記錄

在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)使用BrainSight® Vet Robot 智能動(dòng)物手術(shù)機(jī)器人，通過(guò)預(yù)先規(guī)劃的手術(shù)路徑，成功地將Neuroscroll探針植入非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的大腦中。手術(shù)前，團(tuán)隊(duì)先使用MRI和CT掃描進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，以確保探針的精準(zhǔn)定位。隨后，在手術(shù)機(jī)器人的輔助下，探針沿預(yù)定的解剖路徑以微米級(jí)精度插入目標(biāo)腦區(qū)。

手術(shù)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)對(duì)象被固定在手術(shù)機(jī)器人的立體定位裝置上，通過(guò)紅色激光掃描確定手術(shù)場(chǎng)景與圖像之間的3D坐標(biāo)系統(tǒng)。隨后，團(tuán)隊(duì)使用手術(shù)機(jī)器人精確控制探針的插入深度和方向，確保每根探針都準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)定位置。

探針植入后，立即開(kāi)始電生理記錄。使用1024通道的Intan記錄系統(tǒng)進(jìn)行記錄，捕捉到大量單神經(jīng)元的活動(dòng)數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證探針的位置，手術(shù)后還進(jìn)行了CT和MRI掃描。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了固視-掃視任務(wù)，猴子需要在屏幕上完成一系列視覺(jué)任務(wù)，同時(shí)記錄其大腦活動(dòng)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于理解大腦的感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能具有重要意義。

智能手術(shù)機(jī)器人的作用

BrainSight® Vet Robot 智能動(dòng)物手術(shù)機(jī)器人在這個(gè)工作中起到了重要作用。通過(guò)手術(shù)機(jī)器人精確的手術(shù)路徑規(guī)劃和定位，確保了Neuroscroll探針的成功植入，提高了手術(shù)的安全性和數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，使探針能夠準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)腦區(qū)，避免了傳統(tǒng)手術(shù)中可能出現(xiàn)的誤差和損傷。

這項(xiàng)研究展示了Neuroscroll探針和BrainSight® Vet Robot 智能動(dòng)物手術(shù)機(jī)器人在神經(jīng)科學(xué)研究中的巨大潛力。通過(guò)在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率、全腦范圍的神經(jīng)活動(dòng)記錄，研究人員能夠更深入地理解大腦的復(fù)雜功能和神經(jīng)機(jī)制。這不僅有助于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究，還可能推動(dòng)在疾病治療和腦機(jī)接口等領(lǐng)域的應(yīng)用。

相關(guān)論文信息：

doi.org/10.1038/s41593-024-01692-6