机器人清洁技术可以让神经科学研究自动进行
技术讲堂 2021-11-25 来源:科技论坛圈
A+
A-
90

为使科学家们能够监听到大脑神经元间的微弱信号,新兴的机器人技术能够清洁记录信号的微小设备,让神经科学自动化研究达到了新的水平。这种技术可以更快地收集用于映射脑细胞功能的信息,以此更好地了解我们耳朵之间发生了什么。

该技术将用于称为膜片钳(patch-clamping)的记录方法,用微小的用液体填充的玻璃移液管连接到单个神经元上。由于三十年前发明了膜片钳,该技术需要在记录之间更换移液管,这种手动过程减缓了研究过程。现在,佐治亚理工学院的研究人员研发的机器人清洁技术允许移液器重复使用多达11个记录,甚至可能会更多,并且能让记录更加自动化。

乔治·伍德拉夫佐治亚理工学院的副教授Craig Forest说:“这是神经科学中机器人技术革命的一个进步,我们想让样品在我们机器中能够记录50甚至100个神经元。这项技术可以让神经科学像分子生物学等其他领域一样实现研究自动化,大大扩展我们对大脑信号的监听能力。”

在国立卫生研究院和艾伦脑科学研究所的支持下,该研究报告于10月11日发表在《科学报告》杂志上。其中包括清洁技术和能让移液器连接到细胞的过程自动化的创新。佐治亚理工学院的研究人员研发出第一个在没有人类操作员的前提下,能在细胞培养、脑切片和活动大脑中执行顺序膜片钳记录的机器人。

这个被叫做“patcherBot”的膜片钳机器人,有自己的Twitter帐户,它会在Twitter上分享自己做了些什么,自动报告它记录的每个单元格。Forest说,“这是第一个社会神经科学机器人。”

膜片钳是刺激和记录来自神经元和其他细胞的信号的黄金标准。它将直径仅一微米的尖端玻璃移液管接触到细胞膜,然后紧密密封起来,这样能够与细胞内部直接电连接。这项工作是非常细致和耗时的,尽管Forest实验室最近研发出的Autopatcher机器人技术,实现了该过程的部分自动化。

因为细胞碎片可以阻碍与细胞紧密连接,研究人员不得不每次都为记录更换新的移液器。但是在使用膜片钳时,研究生助理Ilya Kolb开始质疑移液器只能使用一次的传统观念。他了解用于清洁实验室玻璃器皿的洗涤剂,并会评估这些洗涤剂是否适用于机器人清洁过程。

“如果可以实现在每次记录后自动清洁移液器,并让Autopatcher一次又一次回到细胞,”Forest解释说,“那么你甚至不必在实验室守着,因为你可以在离开实验室之前设置好,第二天早上回来时,它会自动记录50或100个细胞。”

Kolb测试了八种清洁溶液,发现一种叫Alconox清洁剂成功地清除了碎屑。他重新编程修改了操作Autopatcher的软件,在每次记录之间添加了清洁和冲洗步骤。新机器人将移液器浸入位于样品旁边孔中的洗涤剂溶液中,产生的流体流入并移出移液管,然后将移液管移动到单独的孔中冲洗。整个清洁过程花费大约一分钟,这比训练有素的人类操作者快得多。

1637819446408296.jpg

研究人员对比了清洁后的移液器和新移液器的记录质量。

“我们用新的移液管,和我们用已经使用和清洁11次的移液器,在结果基本上是不可区分的,”Kolb说,“在14次后确实会出现一些差距,但我们希望随着技术的改进,重复使用移液器的次数能多达50甚至100次。”

他们与Emory大学的研究人员合作,测试该技术中的残留洗涤剂是否影响活细胞。根据对多次使用后的移液管流体的质谱研究,结果表明残留洗涤剂并不会对活细胞产生不利影响。

Georgia Tech已经为新的机器人技术申请了专利保护,这项技术需要技术人员使用显微镜视图简单地选择要记录的细胞,然后机器会自动工作。研究人员希望该技术可以逐步商业化,不仅仅将膜片钳应用于成千上万的实验室,还将逐步应用于药物测试和其他研究。

“如果我们能把这项技术应用在实际设备上,并有配套的智能软件,该技术就能在这个研究领域普及化,”Forest说,“我们的这项技术引领了新的科学潮流。”

关于这篇机器人和神经科学研究文章

资金:本新闻稿中报道的研究由NIH计算神经科学培训补助金(DA032466-02)和BRAIN计划奖项(U01-MH106027-01,R01-EY023173,R44-NS083108-03)支持。内容仅代表作者观点,并不代表国家卫生研究院的官方观点。

资料来源:乔治亚理工学院的John Toon

图片来源:乔治亚理工学院的John Toon

原始研究:Christian Wachinger,David H. Salat,Michael Weiner和Martin Reuter在《科学报告》中发表的《Cleaning patch-clamp pipettes for immediate reuse》,发表于2016年10月11日doi:10.1038 / srep35001。

摘要

清洁膜片钳移液器以实现立即重复使用

膜片钳记录已经使单细胞电学、形态学和遗传学研究有超高的分辨率。然而,它仍然是一种费力和低通量的技术,使得在大规模测量时结果有些与事实不符,如大脑中神经元细胞类型和连接性表征。具体而言,该技术受到在每次记录之后手动更换膜片钳移液管这种普遍做法的严格限制。为了规避这种限制,我们研发了一种简单、快速和自动化的方法来清洁玻璃移液管电极,使其在一分钟内能够重复使用。通过将移液管吸头浸入叫Alconox的市售洗涤剂,然后进行冲洗,我们能够重复使用移液器10次。在人类胚胎肾细胞到神经元培养、切片、放入体内的过程中,信号保真度不会退化。清洁后残留在移液管中的Alconox也不会对离子通道产生影响。我们研发出了移液器清洁技术,该技术能在没有人类操作员的情况下,让机器人在细胞培养和活体体内执行顺序膜片钳记录。

免责声明:本网站内容来自作者投稿或互联网转载,目的在于传递更多信息,不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性。文章内容及配图如有侵权或对文章观点有异议,请联系我们处理。如转载本网站文章,务必保留本网注明的稿件来源,并自行承担法律责任。