納米線陣列——記錄神經元活性的新神器

　　神經元可以接受刺激，產生興奮并傳導興奮，是神經系統的基礎。與神經元相關的疾病種類繁多，其中不少并沒有有效的治療方案。要開發治療神經系統疾病的藥物，一個重要的手段是監測神經元細胞對于候選藥物的響應。目前記錄神經元活性的方法多利用細胞內外離子濃度的差異，通過測量離子通道電流和細胞內電位的變化來評估神經元的健康狀況以及對藥物的響應。這種方法對電位變化敏感，且信噪比高。然而，這些技術的缺限在于：會破壞細胞膜并殺死細胞，而且一次只檢測一個細胞，難以對大量的神經元組成的神經網絡進行研究。

　　日前，由美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的Shadi A. Dayeh教授及其團隊，開發了一種能夠精確記錄神經元細胞內活性的納米線陣列。這種納米線陣列對神經細胞不會造成破壞，能以高靈敏度和高空間分辨率完成對多個神經元電生理活性的同時記錄。另外，這種納米線陣列的制造方法可以放大，并且可以與標準的集成電路制造技術相結合。這項成果不僅能幫助科學家加深對神經系統疾病機理的了解，還可加快相關藥物的開發。相關成果發表于Nano Letters 雜志上。

　　Shadi A. Dayeh教授致力于創造新的方法來集成微納米級的材料，制造描繪腦圖譜的設備，用于臨床研究中診斷和治療神經退行性疾病和神經系統疾病。此前，他的團隊與Sanford-Burnham-Prebys研究所合作開發了納米尺度的傳感器，可長期高清晰地檢測人類多功能干細胞神經元的神經元活動。

　　納米線傳感器并不是全新的概念，不過此前的技術還不能同時實現高密度和每條納米線都可單獨尋址，也就是說如果納米線密度太高，就無法保證每條納米線都可相互獨立測量電信號。因此，Shadi A. Dayeh教授發明了一種新方法，將硅納米線融合到鎳電極上。這種方法涉及硅化（silicidation）反應，它能使兩種固體材料（硅和另一種金屬）在不熔化的狀態下就能結合在一起，從而防止了鎳電極液化、分散并與相鄰電極發生短路（如下圖所示）。

高密度納米線傳感器的示意圖及其形貌表征

　　納米線可伸入細胞但不會破壞它們，并且足夠敏感，可以測量幾毫伏的微小電生理活性變化。研究團隊使用這種技術記錄了來自小鼠以及人誘導的多能干細胞的神經元的電活性。結果顯示，小鼠神經元細胞內電勢變化范圍為0.1 mV到99 mV，而來自人誘導多能干細胞的神經元細胞內電勢變化范圍為0.1 mV到35 mV。

利用納米線陣列對神經元活性進行追蹤記錄

　　Shadi A. Dayeh教授表示，他們所開發的技術可以測量神經網絡快速、微小的電位變化，能幫助科學家更好地理解神經系統疾病的機理，并且加速中樞和周圍神經系統疾病藥物的開發。不過同時他還表示該技術需要進行進一步的優化，他們的最終目標是將該技術轉化為可植入大腦的器械。