我们的细胞让机器变得舒适。可嵌入传感器记录神经元如何以及何时发射;电极激发心脏细胞击败或脑细胞射击;类神经元装置甚至可以促进植入大脑后更快的再生长。
很快，所谓的脑机界面可以做得更多：监测和治疗帕金森病等神经系统疾病的症状，提供设计人工智能的蓝图，甚至可以实现脑 - 脑通信。
为了实现可达到的和不切实际的，设备需要一种方法来逐字深入我们的细胞以进行侦察。我们对神经元如何工作的了解越多，我们就越能用我们的机器模拟，复制和处理它们。
现在，在Nature Nanotechnology上发表的一篇论文中，Joshua和Beth Friedman大学教授Charles M. Lieber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子颤动的纳米技术。九年后，利伯和他的团队设计了一种方法，可以同时制造数千种这样的设备，创建一支纳米级军队，可以加快努力，找出我们细胞内发生的事情。
在利伯的工作之前，类似的设备面临着金发姑娘的难题：太大了，他们会记录内部信号但杀死牢房。太小了，他们没能穿过细胞膜 - 录音结果嘈杂而且不精确。
利伯的新纳米线恰到好处。在2010年设计和报告，原件有一个纳米级“V”形尖端，在“V”底部有一个晶体管。这种设计可以穿透细胞膜，并在不破坏细胞的情况下将准确的数据发送回团队。
但有一个问题。硅纳米线的长度远远超过它们的宽度，使得它们摇摆不定并且难以缠结。 “它们和煮熟的面条一样灵活，”Lieber实验室的研究生Anqi Zhuang说道，他是该团队最新工作的作者之一。
为了制造原始设备，实验室成员必须同时捕获一条纳米线面条，找到“V”的每个臂，然后将线编织到记录设备中。一对设备用了2到3个星期。 “这是非常繁琐的工作，”庄说。
但纳米线一次不制成一个;它们就像它们类似的东西一样集中制造：熟意大利面。利用利伯用于制造第一根纳米线的纳米团簇催化气 - 液 - 固方法，该团队建立了一个环境，使电线可以自行发芽。它们可以预先确定每根导线的直径和长度，但不能预先确定导线的位置。即使它们一次生长数千甚至数百万纳米线，最终的结果却是一堆看不见的意大利面条。
为了解开这个烂摊子，利伯和他的团队为他们松散的煮熟的面条设计了一个陷阱：他们在硅片上制作U形沟，然后在表面上梳理纳米线。这种“梳理”过程解开了混乱，并将每根纳米线沉积成一个整齐的U形孔。然后，每条“U”曲线都得到一个微小的晶体管，类似于它们的“V”形器件的底部。
通过“梳理”方法，利伯和他的团队在相同的时间内完成了数百个纳米线设备。 “因为它们非常一致，所以它们很容易控制，”张说。
到目前为止，张和她的同事们已经使用“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。涂有模仿细胞膜感觉的物质，纳米线可以最小的努力或对细胞的损害穿过这个屏障。并且，它们可以记录与其最大竞争对手相同的精确度的细胞内颤振：膜片钳电极。
贴片钳电极比纳米线大约100倍。顾名思义，该工具会夹住细胞膜，造成不可逆转的损害。膜片钳电极可以捕获细胞内电信号的稳定记录。但是，张说，“记录后，细胞就会死亡。”
Lieber团队的“U”形纳米级设备对其细胞宿主更友好。 “它们可以并行插入多个细胞而不会造成损害，”张说。
现在，这些设备非常温和，在记录约10分钟后，细胞膜会将它们推出。为了扩展这个窗口的下一个设计，团队可能会在尖端添加一些生化胶水或使边缘变粗糙，以便导线接近膜。
纳米级器件相对于膜片钳具有另一个优势：它们可以并行记录更多细胞。使用夹具，研究人员可以一次只收集一些细胞记录。在这项研究中，张一次记录了多达10个细胞。 “可能会有更多，”她说。他们一次可以记录的细胞越多，他们就越能看到细胞网络如何在生物中相互作用。
在扩展纳米线设计的过程中，该团队也碰巧证实了一个长期存在的理论，称为曲率假设。在利伯发明了第一批纳米线之后，研究人员推测纳米线尖端的宽度（“V”或“U”的底部）会影响电池对电线的响应。在这项研究中，该团队尝试了多条“U”曲线和晶体管尺寸。结果证实了最初的假设：细胞像一个狭窄的尖端和一个小晶体管。
“包括我们自己在内的许多科学之美在推动假设和未来工作方面面临着诸多挑战，”利伯说。随着它们背后的可扩展性挑战，该团队希望捕获更精确的记录，可能是在亚细胞结构内，并记录生物中的细胞。
但对于利伯来说，一个脑机挑战比其他所有人更具吸引力：“将机器人带入现实。”
——文章发布于2019年7月1日
