將電極夾在活體動(dòng)物的腦細胞上去記錄它們喋喋不休的絮語(yǔ)是一項考驗技巧和耐心的活兒。神經(jīng)科學(xué)家EdwardBoyden認為這個(gè)被稱(chēng)為“全細胞膜片鉗”的技術(shù)是“神經(jīng)科學(xué)界最精妙的藝術(shù)”。

　　不過(guò)通過(guò)使用機器人和可下載的源代碼，研究者們正在使這門(mén)藝術(shù)脫去它神秘的面紗，成為任何實(shí)驗室都可以嘗試的一項流水線(xiàn)式自動(dòng)化技術(shù)。

　　KarelSyoboda是坐落于弗吉利亞州阿什本的霍華德－休斯醫學(xué)研究所Janelia科研校區的一名神經(jīng)科學(xué)家，他提到，“膜片鉗為觀(guān)察神經(jīng)通路提供了非常獨特的視角，是一項激動(dòng)人心卻未被充分利用的技術(shù)，這也是為什么自動(dòng)化將是一個(gè)非常非常令人興奮的研究方向”。

　　2015年3月3日那一天，Boyden和他的同事們在（美國）劍橋市的MIT發(fā)表了關(guān)于組裝和操作全細胞膜片鉗的詳細指南，而全細胞膜片鉗這個(gè)理念也是他們于2012年第一次提出的。這份指南是Boyden和CraigForest實(shí)驗室合作的最新成果，CraigForest來(lái)自于亞特蘭大的喬治亞理工學(xué)院，他專(zhuān)門(mén)從事機器人自動(dòng)化方面的研究。

　　大多數神經(jīng)記錄是通過(guò)在細胞間隙中插入一個(gè)電極來(lái)采集神經(jīng)元之間的電沖動(dòng)，這種“細胞外的記錄”只能探測到外向信號，卻無(wú)法收集到細胞內那些決定是否發(fā)射沖動(dòng)的神經(jīng)活動(dòng)——這也就為全細胞膜片鉗提供了用武之地——Syoboda表示，這項精巧的技術(shù)“有著(zhù)非常陡峭的學(xué)習曲線(xiàn)，甚至有些人從來(lái)沒(méi)能讓它真正工作起來(lái)”。

　　全細胞膜片鉗技術(shù)是將一個(gè)非常微小、內含金屬電極的玻璃移液器推入腦中，而絕大多數情況下，這項操作都是“盲人版”，研究者在操作時(shí)是看不見(jiàn)神經(jīng)元細胞的?？茖W(xué)家必須不停地給移液器施加壓力以推開(kāi)腦白質(zhì)，當電極感到阻力升高時(shí)意味著(zhù)附近正有一個(gè)神經(jīng)元細胞，此時(shí)必須立即在恰好合適的時(shí)間點(diǎn)轉換為抽吸的模式，用移液器那超級細小的尖端緊緊地封住神經(jīng)元細胞膜的一小片區域。再加上一個(gè)突破性的抽吸，研究者就可以在細胞表面鑿一個(gè)非常小的洞來(lái)記錄神經(jīng)元內的活動(dòng)了。擊打神經(jīng)元細胞時(shí)方向偏移、推入移液器時(shí)壓力控制失調以及許多其他的變數都會(huì )干擾最終的信號記錄。

　　Boyden提到“每一步都有一定的失敗率，而這在整個(gè)過(guò)程中將不斷累積增大”，報道稱(chēng)熟練的操作人員的操作成功率在20%至60%之間。

　　Boyden和Forest決定將這個(gè)棘手的技術(shù)自動(dòng)化。目前，他們制造的機器人的表現還不能超過(guò)人類(lèi)專(zhuān)家，但是它們在小鼠上操作的平均成功率約為33%。這臺運行在商業(yè)編程平臺LabVIEW上的裝置只需要研究者擺放動(dòng)物和移液器的位置，之后會(huì )由計算機算法調控移液器內部的壓力以及它在腦組織中的前進(jìn)。喬治亞州亞特蘭大市的NeuromaticDevices公司正在供應基于Boyden和Forest的技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的機器，不過(guò)他們并沒(méi)有向《自然》雜志透露他們的報價(jià)或者銷(xiāo)售圖。

　　在德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了一種類(lèi)似的自動(dòng)化膜片系統，這個(gè)系統在MATLAB的電腦環(huán)境中使用一種略為不同的算法來(lái)決定何時(shí)抽吸，其在小鼠的膜片鉗細胞實(shí)驗中成功率約17%。領(lǐng)導這個(gè)團隊的神經(jīng)科學(xué)家NirajDesai表示他希望能夠將更加復雜的算法整合到其中。

　　另一些研究者對記錄機器人能否勝過(guò)最優(yōu)秀的人類(lèi)專(zhuān)家表示質(zhì)疑。倫敦大學(xué)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家MichaelHausser認為，“人做決定時(shí)涉及很多方面，而這很可能是超過(guò)機器所能捕捉的”，不過(guò)他也表示這些技術(shù)仍能為創(chuàng )新帶來(lái)很多好處。也有人指出，這些機器人可以在那些漫長(cháng)而復雜的實(shí)驗中，為擁有不同技術(shù)水平的操作者帶來(lái)便利，特別是當人的疲勞成為實(shí)驗制約因素的時(shí)候。

　　在華盛頓州西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所，研究者們開(kāi)發(fā)出一套自動(dòng)化系統，被用于腦內記錄技術(shù)的另一個(gè)變種－更具有挑戰性的圖像引導式技術(shù)。在這個(gè)版本中，科學(xué)家們不用使用移液器盲目地撞擊神經(jīng)元，而是用雙光子顯微鏡來(lái)瞄準靠近腦表面的特定神經(jīng)元細胞。但是這項操作比盲目的膜片鉗技術(shù)需要更多的配合，因為科學(xué)家必須在不停地聚焦顯微鏡的同時(shí)引導移液器并調節其內部壓力。圖像引導膜片技術(shù)專(zhuān)家Hausser提到，“理想情況下，擁有三支手會(huì )為這項技術(shù)帶來(lái)很多好處。”

　　自動(dòng)化系統可以構建研究者關(guān)注的腦區域的3D圖像，使得使用者可以電子化地選擇他們想記錄的特定神經(jīng)元細胞。鎖定坐標后，儀器可以導航移液器到特定的部位。盡管如今研究者們仍需要手動(dòng)地將膜片鉗連接在腦細胞上，但是艾倫腦科學(xué)研究所神經(jīng)科學(xué)家和關(guān)節組領(lǐng)導者LuLi表示他們希望能夠將這一操作完全自動(dòng)化。

　　這些自動(dòng)化系統在神經(jīng)科學(xué)界是否將被廣泛地推廣仍有待觀(guān)察。這些不同的團隊都將他們的程序代碼免費地公開(kāi)，在以下網(wǎng)站中可以下載：Boyden研究小組的在autopatcher.org，Desai小組的在clm.utexas.edu/robotpatch，Li小組的在GitHub資源庫（go.nature.com/sgjpab）。Boyden表示，“我們希望能夠幫助盡可能多的人去解答有關(guān)神經(jīng)元運算的問(wèn)題。