中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 陳欣然 通訊員 高雨桐）神經(jīng)元是大腦最基本的功能單位。想要解開大腦的奧秘，首先要聽懂神經(jīng)元的“私語”。被譽為“可以傾聽細胞聲音”的膜片鉗技術(shù)，是獲取單細胞電生理信號的關(guān)鍵手段。然而，傳統(tǒng)的人工膜片鉗操作極其復雜，對實驗人員經(jīng)驗要求極高。近日，南開大學人工智能學院趙新教授團隊利用自主研發(fā)的機器人化主動膜片鉗系統(tǒng)，與山東中醫(yī)藥大學實驗動物中心團隊合作，成功記錄了清醒狨猴的神經(jīng)元電生理信號，相關(guān)成果發(fā)表于《微系統(tǒng)與納米工程》期刊。

“研發(fā)機器人化主動膜片鉗系統(tǒng)，不僅能降低實驗成本、提升成功率，還能實現(xiàn)大規(guī)模、智能化的全流程自主操作，攻克這一制約腦科學發(fā)展的技術(shù)瓶頸。”趙新說。

2021年，趙新團隊牽頭獲批國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目“面向清醒動物腦科學研究的機器人化主動膜片鉗系統(tǒng)”，聯(lián)合天津醫(yī)科大學、天津大學和中國科學院昆明動物研究所團隊，開展為期5年的跨學科系統(tǒng)性協(xié)同攻關(guān)。

針對清醒動物實驗中腦組織微震顫帶來的干擾，研究團隊研制了面向膜片鉗操作的清醒動物頭部主動固定裝置，突破了活體神經(jīng)元動態(tài)追蹤技術(shù)，確?！案蒙稀薄Ｍㄟ^對在體環(huán)境熒光染料注射、擴散與發(fā)光建模，團隊突破了大腦皮層環(huán)境動態(tài)熒光成像技術(shù)，并基于雙光子顯微圖像突破了大腦環(huán)境三維重建與目標障礙物精準定位技術(shù)，做到“顯示清”“定位準”。

在路徑規(guī)劃方面，研究團隊通過腦組織環(huán)境軌跡勢場和應變建模，突破在體環(huán)境電極主動軌跡規(guī)劃與避障技術(shù)，讓膜片鉗“動得巧”，靈活穿行于復雜的大腦皮層間。在操作執(zhí)行環(huán)節(jié)，研究團隊基于多物理場建模，實現(xiàn)細胞緊密貼附、平穩(wěn)封接、低擾動定量破膜、平衡膜片剝離和精準檢測。

依托該系統(tǒng)，研究團隊不僅在國際上首次完成清醒狨猴機器人化膜片鉗實驗，并利用該系統(tǒng)開展了阿爾茨海默病模型小鼠的研究，進一步驗證了其在不同動物模型中的廣泛適用性與推廣潛力。

趙新說：“面向清醒動物腦科學研究的機器人化主動膜片鉗系統(tǒng)的研制與應用，有助于降低當前腦科學研究的技術(shù)門檻，讓大規(guī)模、精準化的膜片鉗探測成為可能，為我國開展細胞級、亞細胞級的高精度腦科學研究提供重要技術(shù)支撐?！?/p>