给大脑配上“超级听诊器”——南开大学团队研制机器人化主动膜片钳系统

中国教育报-中国教育新闻网讯（记者 陈欣然 通讯员 高雨桐）神经元是大脑最基本的功能单位。想要解开大脑的奥秘，首先要听懂神经元的“私语”。被誉为“可以倾听细胞声音”的膜片钳技术，是获取单细胞电生理信号的关键手段。然而，传统的人工膜片钳操作极其复杂，对实验人员经验要求极高。近日，南开大学人工智能学院赵新教授团队利用自主研发的机器人化主动膜片钳系统，与山东中医药大学实验动物中心团队合作，成功记录了清醒狨猴的神经元电生理信号，相关成果发表于《微系统与纳米工程》期刊。

“研发机器人化主动膜片钳系统，不仅能降低实验成本、提升成功率，还能实现大规模、智能化的全流程自主操作，攻克这一制约脑科学发展的技术瓶颈。”赵新说。

2021年，赵新团队牵头获批国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目“面向清醒动物脑科学研究的机器人化主动膜片钳系统”，联合天津医科大学、天津大学和中国科学院昆明动物研究所团队，开展为期5年的跨学科系统性协同攻关。

针对清醒动物实验中脑组织微震颤带来的干扰，研究团队研制了面向膜片钳操作的清醒动物头部主动固定装置，突破了活体神经元动态追踪技术，确保“跟得上”。通过对在体环境荧光染料注射、扩散与发光建模，团队突破了大脑皮层环境动态荧光成像技术，并基于双光子显微图像突破了大脑环境三维重建与目标障碍物精准定位技术，做到“显示清”“定位准”。

在路径规划方面，研究团队通过脑组织环境轨迹势场和应变建模，突破在体环境电极主动轨迹规划与避障技术，让膜片钳“动得巧”，灵活穿行于复杂的大脑皮层间。在操作执行环节，研究团队基于多物理场建模，实现细胞紧密贴附、平稳封接、低扰动定量破膜、平衡膜片剥离和精准检测。

依托该系统，研究团队不仅在国际上首次完成清醒狨猴机器人化膜片钳实验，并利用该系统开展了阿尔茨海默病模型小鼠的研究，进一步验证了其在不同动物模型中的广泛适用性与推广潜力。

赵新说：“面向清醒动物脑科学研究的机器人化主动膜片钳系统的研制与应用，有助于降低当前脑科学研究的技术门槛，让大规模、精准化的膜片钳探测成为可能，为我国开展细胞级、亚细胞级的高精度脑科学研究提供重要技术支撑。”