追踪人脑中的单个神经元的新技术

Abstract representations emerge in human hippocampal neurons during inference

更好的技术可以长期稳定地监测细胞数量，这使得研究人脑中的神经编码和动力学成为可能。

　　

动物模型在神经科学领域极为宝贵，但它们无法让我们在人类大脑之外研究人类特有的认知功能，例如语言、抽象推理和复杂决策。单神经元电生理记录技术使我们能够以前所未有的细致程度洞察这些能力的神经编码，而非侵入性或较不侵入性的方法无法做到这一点。功能性磁共振成像（fMRI）和皮层电图描记术（electrocorticography）等技术在人类神经科学中具有互补性和同等重要性，但它们缺乏空间和时间分辨率，无法捕捉神经计算的基本单元——单神经元动作电位。通过记录清醒、活动状态下的单个神经元，我们能够直接洞察支持认知功能的毫秒级计算过程，这不仅为神经科学基础研究提供信息，还有助于开发新型临床应用，从脑机接口到神经疾病的治疗方法。

由于收集这些记录的方法具有侵入性，研究人员长期以来一直依赖于因癫痫和其他疾病而接受手术的患者来研究人类单神经元。70年前，神经外科医生亚瑟·沃德和路易斯·托马斯首次在清醒的人类身上记录了单个神经元的活动，他们在为癫痫患者手术期间将玻璃微管插入患者的新生皮质中。玻璃微管很快被更坚固的钨电极所取代，这使得研究人员能够深入脑部深层结构，特别是在帕金森病患者的基底神经节中，并能够追踪单个神经元的自发活动，包括在震颤开始时这些活动的变化。1971年，马塞尔·弗泽诺和他的合作者首次在癫痫发作期间记录了单神经元活动，他们使用了几根微线以增加同时记录多个单个神经元的机会。就像用相机捕捉一颗陨石坠落一样，他们有幸记录下了这一事件。

为了深入理解复杂的人类认知功能——例如我们如何学习一门新语言，或者当记忆被遗忘时发生了什么——我们将需要进一步推进技术发展，实现对同一细胞进行数天甚至更长时间的记录，并观察其活动随时间的变化。

自那时以来，研究人员开发了具有更多电极的记录技术，这些技术能够在更长的时间内从更多区域的更多细胞中记录数据，从而比以往任何时候都更深入地了解人脑的内部运作。凭借稳定且长期的记录能力，研究人员不仅可以研究记忆和认知任务，还可以研究更广泛的脑状态，例如清醒与睡眠状态——例如，研究表明睡眠期间的海马皮层相互作用对记忆巩固至关重要。

现在，神经科学家和神经外科医生有几种技术可以用来访问人脑。贝恩克-弗里德电极（Behnke-Fried electrode）最初是在30年前开发的，改进了基于微线的电极；该技术的商业化版本在癫痫监测中仍被广泛使用。科学家们利用其优势——在清醒且互动的患者中访问深层内侧颞叶结构，以及长达数小时的记录能力——来探索神经编码。2005年的一项著名实验在内侧颞叶中发现了“概念细胞”，也被称为“詹妮弗·安妮斯顿”或“祖母”细胞，这些细胞选择性地对特定概念做出反应，而与感觉方式无关。当患者看到詹妮弗·安妮斯顿的照片、听到她的名字甚至想象她时，一个神经元可能会放电，这表明这是一种抽象的概念表征，而不仅仅是简单的视觉或听觉表征。最近，乌利·鲁蒂沙尔实验室的研究人员使用相同的基于微线的电极来研究人类海马如何编码抽象表征。这项研究提供了有力证据，表明人类海马编码认知地图，并且重要的是，快速、指令驱动的学习可以以动物经验驱动学习无法实现的方式重塑这些地图。

与深入的贝恩克-弗里德电极相比，犹他阵列提供了对大脑皮层表面的访问。由犹他大学的理查德·诺曼开发并于20世纪90年代引入人类研究的这种铅笔橡皮大小的网格包含多达128个硅针，每个针尖都有一个微电极。自发明以来，该阵列一直是人类皮层表面记录的主要平台。由于阵列随大脑表面移动而不是固定在头骨上，因此它可以在较长时间内更稳定地记录单个细胞，在某些情况下可以记录单个神经元的尖峰活动数年。（它需要通过皮肤连接到计算机。）大多数使用犹他阵列的人类研究是在开发用于瘫痪患者的脑机接口的临床试验中进行的，例如BrainGate试验，其中植入运动皮层的阵列利用神经放电率来控制计算机光标或机械臂。研究人员还利用这些努力的数据来研究语言和语音的神经动力学。

人类神经科学家工具箱中的最新添加物是Neuropixels探针，这是一种平面阵列，得益于微芯片纳米制造技术，它在同一片硅上集成了记录和信号处理功能。Neuropixels探针在一个1厘米的探针上集成了数百个电极，扩大了记录的规模，并显著降低了每个电极的设备成本；在术中研究中，插入皮层的单个Neuropixels阵列可以在数十分钟内记录超过100个神经元。结合自动尖峰分类方法，Neuropixels能够对特定结构内的单个神经元进行详细的空间表征。