神经元在庞大的网络中错综复杂地交流和响应刺激，协调从基本身体过程到复杂思想的基本功能。传统的神经科学方法依赖于 体内 电生理学(在活的有机体内)，通常难以解决整个大脑的复杂性。另一种方法是从生物体中提取细胞并在培养皿上进行研究(体外)，从而为研究人员在测量神经过程方面提供增强的控制和精确度。在 《高级科学》杂志的一项新研究中，研究人员推出了一种经济高效的开源 体外 系统，用于与神经元连接，为对神经相互作用感兴趣的研究人员提供了更容易的途径。
这项研究是 NSF 资助的一个名为 Mind in Vitro的大型项目的一部分，该项目探索神经元如何相互作用，不仅是为了更好地理解大脑等复杂系统的功能，也是为了最终使用 体外 神经网络的目标用于计算。为了实现这一目标，MiV 项目由高度跨学科的研究人员组成，包括来自计算机科学、工程学、神经生物学、生理学等领域的研究人员。
“MiV 项目的目标是最终使用神经元进行计算，”帮助领导该项目的 Gazzola 实验室研究生zhi (Andrew) Dou 解释道。 “与传统计算系统不同，这将允许一个动态且不断发展的系统，并且实际上也更加节能。”
这项新的 MiV 研究由机械科学与工程副教授 Mattia Gazzola (M-CELS)、Gazzola 实验室博士后研究员张晓天和窦领导，描述了一种使用微电极阵列测量神经元活动的创新方法(MEA)技术。虽然有使用类似技术的商业系统，但它们通常价格昂贵并且针对特定的实验方法进行销售。
“当前神经元接口技术的问题在于，它主要是商业系统，这些系统对于特定的测试条件更加标准化，通常在生物化学或传统神经科学领域，”张说。 “由于我们对利用活细胞设计计算范例感兴趣，因此我们这样做的动机是摆脱更标准化的商业系统，并自己构建一些我们可以完全控制的东西。”
在新的 MiV 装置中，细胞被放置在含有 MEA 的板上，使该技术能够与神经基质相连接。电极检测来自神经元的电压，该电压被放大并发送到计算机，然后计算机处理数据。
与标准的 60 个电极商业系统相比，MiV 系统拥有超过 500 个电极，可以一次性收集更多数据。与商业系统相比，该系统还包含改进和/或新颖的功能，例如便携性、与神经元的双向通信、在记录期间对神经元进行成像的能力以及测试多种类型的输入(电和光)和多种输入的能力。一次的细胞群。尽管有这些增强功能，构建 MiV 系统的成本却比商业系统的成本便宜 10 倍，而且完全可定制。为了进一步推广该系统，研究人员将MiV系统的硬件和软件模型开源并免费在线提供。
“让我们的软件和硬件开源对我们来说非常重要，”张说。 “我们希望降低成本，让这项技术可供其他人使用，并使其更加灵活和通用，以便研究人员能够真正根据自己的需要定制实验设置。我们的系统不仅适用于一个实验室，或一组对某一特定事物感兴趣的人，它适用于所有人。”
“我们设计的系统非常易于制造，并且由廉价部件组成，这将使许多无力承担商业系统费用的实验室能够拥有自己的系统，”窦说。 “尽管最初的设计是用于计算研究，但我们已经使结构易于重新设计和扩展，因此我们非常确定这将使研究人员满意，无论他们想要进行哪种研究。”
研究人员表示，其他实验室已经对用于自己实验的新技术表现出了兴趣。 MiV 团队计划不断改进设计，使硬件更加自动化和易于访问，并探索量化和扩展技术性能的方法。
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