哈佛大学 u形纳米线可以记录大脑或心脏细胞内部的电颤动，而不会造成任何损害
这些设备比它们最大的竞争对手小100倍，后者在记录后杀死一个细胞
学分:利伯集团，哈佛大学 机器和我们的细胞越来越亲密
嵌入式传感器记录神经元如何以及何时放电；电极激发心脏细胞跳动或脑细胞燃烧；神经元样装置甚至可以促进植入大脑后更快的再生
很快，所谓的脑机接口可以做得更多:监测和治疗帕金森氏病等神经疾病的症状，提供设计人工智能的蓝图，甚至实现大脑间的交流
为了实现可及性和不切实际性，设备需要一种方式来深入我们的细胞进行侦察
我们对神经元如何工作了解得越多，我们就越能够用我们的机器来模拟、复制和治疗它们
在《自然纳米技术》杂志上发表的一篇论文中
约书亚和贝丝·弗里德曼大学教授利伯介绍了他最初用于细胞内记录的纳米级设备的更新，这是第一个用于记录活细胞内电颤动的纳米技术
九年后，李伯和他的团队设计了一种方法，可以一次制造成千上万个这样的设备，创造出一个纳米级的军队，可以加速发现我们细胞内发生的事情
在利伯工作之前，类似的设备面临着一个金发难题:太大了，它们会记录内部信号，但会杀死细胞
太小了，它们不能穿过细胞膜——记录结果是嘈杂和不精确的
利伯的新纳米线恰到好处
最初的设计和报道于2010年，它们有一个纳米级的“V”形尖端，“V”形底部有一个晶体管
“这种设计可以穿透细胞膜，在不破坏细胞的情况下将准确的数据传回给研究小组
但是有一个问题
硅纳米线的长度远大于宽度，这使得它们摇摆不定，难以争辩
“它们像煮熟的面条一样灵活，”利伯实验室的研究生张安琪说，他也是该团队最新研究的作者之一
为了创造出最初的装置，实验室成员必须一次捕捉一条纳米线，找到“V”的每一条臂，然后将这些线编织到记录装置中
几个设备花了2到3周的时间制作
“这是非常乏味的工作，”张说
但是纳米线不是一次制造一根；它们是由类似的东西做成的:煮熟的意大利面条
使用纳米团簇催化的气-液-固方法，利伯用这种方法创造了第一条纳米线，研究小组建立了一个环境，让这些线可以自己发芽
他们可以预先确定每根导线的直径和长度，但一旦准备好，就不能确定导线的位置
尽管它们一次可以生长数千甚至数百万条纳米线，但最终结果却是一团看不见的意大利面条
为了解决这个问题，利伯和他的团队为他们松散的熟面条设计了一个陷阱:他们在硅片上制作U形沟槽，然后在表面梳理纳米线
这种“梳理”过程解开了混乱，将每一根纳米线放入一个整齐的U形孔中
然后，每条“U”形曲线都有一个微型晶体管，类似于他们的“V”形器件的底部
通过“梳理”方法，利伯和他的团队在制造几个纳米线器件的相同时间内完成了数百个纳米线器件
“因为它们排列得非常整齐，所以很容易控制，”张说
到目前为止，张和她的同事已经使用“U”形纳米级装置记录培养物中神经细胞和心脏细胞的细胞内信号
纳米线涂有一种类似细胞膜的物质，可以通过最小的努力或对细胞的损伤穿过这个屏障
此外，它们可以像最大的竞争对手一样精确地记录细胞内的振动:膜片钳电极
膜片钳电极比纳米线大100倍
顾名思义，这种工具会夹紧细胞膜，造成不可逆的损伤
膜片钳电极可以捕获细胞内电信号的稳定记录
但是，张说，“录音后，细胞死亡
" 利伯团队的“U”形纳米设备对它们的细胞宿主更友好
“它们可以平行插入多个细胞而不会造成损伤，”张说
现在，这些装置非常温和，大约10分钟的记录后，细胞膜会将它们推出
为了用他们的下一个设计来扩展这个窗口，研究小组可能会在顶端添加一点生化胶，或者使边缘变得粗糙，这样金属丝就可以抓住薄膜
纳米设备相对于膜片钳还有另一个优势:它们可以并行记录更多的细胞
有了夹子，研究人员一次只能收集少量细胞记录
为了这项研究，张一次记录了多达十个细胞
“潜在的，这可能会更大，”她说
他们一次能记录的细胞越多，他们就越能看到细胞网络如何像在生物中那样相互作用
在缩放纳米线设计的过程中，该团队还碰巧证实了一个长期存在的理论，称为曲率假说
在利伯发明了第一条纳米线后，研究人员推测纳米线尖端的宽度(“V”或“U”的底部)会影响细胞对线的反应
在这项研究中，研究小组试验了多种“U”型曲线和晶体管尺寸
结果证实了最初的假设:细胞像一个窄尖和一个小晶体管
“对包括我们自己在内的许多人来说，科学的美妙之处在于有这样的挑战来推动假说和未来的工作，”利伯说
考虑到可扩展性的挑战，该团队希望捕捉更精确的记录，也许是在亚细胞结构中，并记录生物细胞
但对利伯来说，一个脑机挑战比其他挑战更有吸引力:“将电子人带入现实
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