类似豆腐的探针可以捕捉蝌蚪胚胎生长过程中单个神经元的活动。
早期大脑发育就像一个生物学黑匣子。尽管科学家们已经设计出多种方法来记录成人大脑中的电信号，但这些技术并不适用于胚胎。
如今，哈佛大学的一个团队成功窥探了“盒子”内部——至少在两栖动物和啮齿动物方面。他们利用一种柔韧的豆腐状材料开发了一个电子阵列，可以无缝嵌入早期发育的大脑中。随着大脑的发育，植入物会拉伸和移动，持续记录单个神经元，而不会对胚胎造成伤害。
“目前还没有能力测量早期神经发育过程中的神经活动。我们的技术将真正开启一个未知领域，”该研究的作者刘佳在一份新闻稿中表示。
网状阵列不仅记录大脑活动，还能通过电击刺激蝾螈胚胎的神经再生。蝾螈是一种可爱的两栖动物，以其组织再生能力而闻名，对蝾螈的研究或许能启发我们如何修复受损神经，例如脊髓损伤中的神经。
两栖动物和啮齿动物的大脑比我们人类的大脑小得多。出于明显的伦理考虑，研究团队没有在人类胚胎中试验该装置。但他们确实用它来捕捉了脑类器官中单个神经元的活动。这些“微型大脑”源自人类细胞，大致模拟了发育中的大脑。他们的研究可能有助于确定神经发育障碍特有的基因或其他分子变化。“自闭症、双相情感障碍、精神分裂症——这些都可能发生在早期发育阶段，”刘说。
探索大脑
记录大脑发育过程中的电活动，可以帮助科学家了解神经元如何自我组装成一台能够学习和认知的强大计算机器。然而，捕捉大脑中这些短暂的活动火花却并非易事。
当前的技术主要关注成熟大脑。例如，功能性磁共振成像用于扫描大脑在计算特定任务时的整个过程。这不需要手术，可以帮助科学家拼凑出全脑活动图谱。但这种方法分辨率低，而且比较滞后。
分子成像是记录大脑活动的另一种方法。这类动物，例如斑马鱼，经过基因改造后，能够长出在显微镜下激活时会发光的神经元。这可以实时洞察每个神经元的活动。但这种方法只适用于半透明的动物。
神经植入物是该领域的最新成果。这些微电极阵列直接植入脑组织，能够以毫秒级的精度捕捉大量神经元的电信号。在人工智能的帮助下，这类植入物已经帮助人们恢复了语言和运动能力，并理清了用于记忆和认知的神经网络。
它们也不适合大脑发育。
刘教授告诉《自然》杂志：“大脑非常柔软，就像一块豆腐。传统的电子设备非常坚硬，当你把它们放入大脑时，电子设备的任何移动都可能在微米尺度上对大脑造成损伤。” 随着时间的推移，这些设备会留下疤痕，从而降低信号质量。
在大脑发育过程中，由于形状和大小会发生巨大变化，这个问题尤为突出。刚性探针无法在大脑发育过程中持续监测单个神经元，可能会损害这个新生的器官。
打开盒子
想象一下大脑，你可能会想到一个核桃形状的结构，上面刻满了凹槽。但大脑最初在胚胎时期只是一个扁平的单细胞层。
这层细胞被称为神经板，它覆盖胚胎表面，最终折叠成管状。随着脑细胞的扩张和迁移，它们会生成组织，最终折叠成大脑的最终三维结构。这种维度的转变使得我们无法用刚性探针监测单个神经元。但可拉伸的电子设备或许可以做到这一点。
2015年，刘教授及其同事开发了一种超柔性探针，可以整合到成年啮齿动物的大脑和人类脑类器官中。这种网状植入物的硬度与脑组织相似，并能最大程度地减少疤痕形成。该团队使用了一种名为氟化弹性体的材料，这种材料像口香糖一样有弹性，但又拥有特氟龙般的韧性，比传统的类塑料柔性植入物柔软10,000倍。用这种材料制成的植入物可以连续数月捕捉小鼠的单神经元活动，而且制造起来相对容易。
由于探针具有弹性，研究小组想知道它是否也能监测胚胎大脑从二维折叠成三维的过程。他们选择蝌蚪作为测试案例，因为胚胎生长速度快，易于监测。
第一次尝试失败了。“事实证明，蝌蚪胚胎比人类干细胞衍生的组织要软得多，”刘说。“我们最终不得不改变一切，包括开发新的电子材料。”
研究团队发明了一种新型网状材料，可以嵌入电极，厚度不到一微米。他们随后制作了一个“支撑”装置来支撑蝌蚪胚胎，并在早期大脑形成过程中将网状材料轻轻地放置在蝌蚪的神经板上。
刘先生说：“你需要一只非常稳定的手来进行这个手术。”
蝌蚪正在发育的大脑将网格视为自身生物体的另一层，它们将自身折叠成3D结构，实质上是将设备拉伸到大脑的各个区域。该植入物能够可靠地捕捉发育过程中多个脑区毫秒级的神经活动。这些机器人蝌蚪最终长成了健康的青蛙，在行为测试中表现正常，没有表现出脑损伤或压力的迹象。
随着蝌蚪的发育，植入物捕捉到了不同的大脑活动动态。随着神经板折叠成管状，早期脑细胞同步进入缓慢活动的模式。但随着大脑逐渐成熟，不同区域逐渐发育，每个区域都形成了独特的电指纹，神经活动也更加活跃。
通过观察这些动态，科学家可以破译大脑如何将自身连接到如此强大的计算机器中，并检测出何时出现问题。
重建连接
人类神经系统的再生能力有限，而美西螈则不然。美西螈是一种蝾螈，它们长得像卡通人物，几乎可以重建身体的任何部位，包括神经。这背后的机制至今仍是一个谜，但如果我们能揭开它们的秘密，或许可以用它来研发治疗脊髓损伤或神经疾病的疗法。
在一项测试中，研究团队将记录网植入一只尾巴受损的美西螈蝌蚪体内。在蝌蚪的再生过程中，它的大脑活动激增。当他们通过外部电极模拟损伤后的神经模式，并精确定时地施加电击时，蝌蚪的再生速度加快，这表明大脑活动可能在组织再生中发挥作用（至少在某些物种中如此）。
刘说：“我们发现大脑活动可以追溯到其早期（胚胎）发育阶段，所以这可能是这种生物具有再生能力的独特原因。”
该团队正在将这项技术提供给其他研究人员，以进一步探索生命的起源，尤其是啮齿类等哺乳动物的生命起源。他们写道：“初步测试证实，该装置的机械性能与小鼠胚胎和新生大鼠兼容。”
刘教授明确表示，这种方法目前还无法移植到人类胚胎中。目前，该方法在青蛙、蝾螈和人类脑类器官中的应用已经为大脑发育提供了新的见解。但他的团队最终希望能够帮助患有神经发育障碍的人们。
刘说：“我们拥有可拉伸电子器件的基础，可以直接应用于新生儿或发育中的大脑。”