脑机启侦|新型微量移液器可精确控制脑离子信号而不会造成干扰（05.09）

摘要：林雪平大学的研究人员开发了一种新型移液器，可以将离子输送到单个神经元，而不会影响敏感的细胞外环境。控制不同离子的浓度可以为理解单个脑细胞如何受到影响以及细胞如何协同工作提供重要见解，这种新型离子电子微量移液器使科学家能够观察局部离子变化如何影响神经元和神经胶质

林雪平大学的研究人员开发了一种新型移液器，可以将离子输送到单个神经元，而不会影响敏感的细胞外环境。控制不同离子的浓度可以为理解单个脑细胞如何受到影响以及细胞如何协同工作提供重要见解，这种新型离子电子微量移液器使科学家能够观察局部离子变化如何影响神经元和神经胶质细胞，从而揭示此前无法探究的复杂动态。

该移液器也可用于治疗。他们的研究成果已发表在《Small》杂志上。早期实验表明，星形胶质细胞对离子转移反应迅速，只有在星形胶质细胞饱和后才会激活神经元。这项技术除了推动基础神经科学的发展外，还能为癫痫等神经系统疾病带来精准治疗。

装置特性实验装置概览。

01 脑细胞研究的瓶颈

人脑由大约850亿到1000亿个神经元组成。此外，它还拥有大约相同数量的脑细胞，这些细胞通过提供营养、氧气和修复等功能来支持神经元的功能。这些细胞被称为神经胶质细胞，可分为许多亚群。细胞之间有一个充满液体的空间，称为细胞外环境。

细胞内外环境的差异对细胞功能至关重要，其中一个重要方面是不同类型离子在两种环境之间的运输。例如，当钾离子浓度发生变化时，神经元就会被激活。已知整个细胞外环境的变化会影响神经元活动，进而影响大脑活动。然而，目前尚不清楚局部离子浓度的变化如何影响单个神经元和神经胶质细胞。

此前改变细胞外环境的尝试主要涉及泵入某种形式的液体。但这意味着微妙的生化平衡被打破，因此很难确定究竟是液体中的物质、压力变化，还是细胞外液的旋转导致了这种活动。

02 从灌注到离子微雕

离子电子微移液器特性的稳态模拟。

为了解决这个问题，长岛大学有机电子实验室（LOE）的研究人员研发出一种直径仅为2微米（μm）的微量移液器。相比之下，人类头发的直径约为50微米，神经元的直径约为10微米。利用这种所谓的离子微量移液器，研究人员可以只向细胞外环境中添加钾和钠等离子，以观察其对神经元的影响。此外，研究人员还测量了神经胶质细胞（特别是星形胶质细胞）的活性。

“神经胶质细胞构成了大脑的另一半——也就是大脑的化学半部分。我们对它了解不多，因为目前还没有办法精确激活这些细胞，因为它们对电刺激没有反应。但神经元和神经胶质细胞都可以受到化学刺激，”伦敦大学学院助理教授 Theresia Arbring Sjöström 说道。

实验是在小鼠海马脑组织切片上进行的。“神经元对离子浓度变化的反应不如我们最初预期的那么快。然而，星形胶质细胞的反应直接且非常动态。“只有当这些细胞达到‘饱和’状态时，神经细胞才会被激活。这突显了大脑中不同类型细胞之间的精细动态，这是其他技术无法做到的。”特蕾莎·阿布林·舍斯特伦说道。简单来说，移液器是通过加热玻璃管并将其拉至断裂点来制造的。这会形成一个非常细的锥形尖端。这种微量移液器通常用于神经科学领域，以产生和测量脑电活动。

03 癫痫治疗窗口的启示