南開團隊研製機器人化主動膜片鉗系統　給大腦配上「超級聽診器」

（香港文匯網記者 張聰 天津報道）記者27日從南開大學獲悉，南開大學人工智能學院趙新教授團隊聯合多單位攻關，在國際上首次實現清醒非人靈長類動物大腦神經元電生理信號的機器人化膜片鉗精準檢測，相關成果發表於國際期刊《微系統與納米工程》。「研發機器人化主動膜片鉗系統，不僅能降低實驗成本、提升成功率，還能實現大規模、智能化的全流程自主操作，攻克這一制約腦科學發展的技術瓶頸。」趙新說。

據介紹，膜片鉗技術被譽為腦科學研究的「金標準」，曾獲1991年諾貝爾獎，它通過極細的玻璃微電極吸附細胞膜形成高電阻封接，像「聽診器」般捕捉神經元間微弱的電生理信號，是解析大腦細胞工作機制的核心手段。但傳統人工膜片鉗操作難度極高，尤其是在清醒非人靈長類動物實驗中，大腦皮層因呼吸、心跳產生的微震顫，對操作精度和響應速度提出了近乎極限的要求，人工操作普遍存在「定位不准、響應滯後、成功率低」等問題，嚴重制約了腦科學的規模化探測。

針對這一技術瓶頸，2021年趙新團隊牽頭獲批國家自然科學基金國家重大科研儀器研製項目，聯合天津醫科大學、天津大學、中國科學院昆明動物研究所及山東中醫藥大學等單位，開展跨學科協同攻關。團隊研製出機器人化主動膜片鉗系統，攻克了多項核心技術難題：研發清醒動物頭部主動固定裝置，突破活體神經元動態追蹤技術，解決了腦組織微震顫帶來的干擾；通過大腦皮層環境動態熒光成像與三維重建技術，實現目標細胞和障礙物的精準定位；基於腦組織環境軌跡勢場建模，完成電極主動軌跡規劃與智能避障；依託多物理場建模，實現細胞緊密貼附、低擾動破膜等全流程自動化精細操作。

「這相當於賦予機器人接近外科醫生水平的操作能力，在最大程度降低細胞損傷的同時，保證了電信號檢測的精準度。」團隊成員、南開大學人工智能學院副教授趙啟立表示。依託該系統，研究團隊不僅完成了國際首例清醒狨猴機器人化膜片鉗實驗，還將其應用於阿爾茨海默病模型小鼠研究，驗證了技術在不同動物模型中的廣泛適用性。

目前，研究團隊已建立覆蓋貼壁細胞、腦片、小鼠、大鼠及清醒狨猴的標準化操作流程，實現了包括全細胞式在內的五種基本記錄方式的全自動化操作。展望未來，趙新指出，該系統的研製與應用，大幅降低了腦科學研究的技術門檻，讓大規模、精準化的單細胞電生理探測成為可能，將為我國開展細胞級、亞細胞級的高精度腦科學研究，以及神經疾病發病機制探索、新藥研發等領域提供重要支撐。