最迷人的东西，一是人类精巧的大脑，二是浩瀚的宇宙。数百亿的神经元在数量上不如日月繁星，然而其精细多变的网络连接却不亚于庞杂的宇宙，在一定程度上两者有相似性，这便是脑科学迷人之处。大脑呈现出繁杂却井然有序的状态，结构排列错落有致，功能分区明确，经过多年的演化，展现出当下卓越的智能。体记录就如同巡天望远镜，它是脑科学中用于认识大脑的一种方式。由于大脑具有这种规律性，所以这种方式成为了研究大脑活动的一种主流。

图 1 展示了小脑、大脑以及宇宙中暗物的分布密度对比。神经电生理记录是理解大脑的一种极为重要的方式，它的发展已有近百年，甚至可以追溯到更早的时期。近年来，随着技术的不断进步，记录的广度和深度都在不断增大。从规模方面来看，从只有数个神经元，到能够同时记录上万规模的神经元；在精细程度上，不但可以记录到胞体的活动，而且还能够记录到精细的突触活动，这样无疑会更加深入地对大脑进行认识。

图2 电生理记录发展史3

神经元细胞上存在众多离子通道，由于这些离子的特异通透性，造成了膜内外的电位差，如图 3 所示。当有变化发生时，这种电位差所对应的电压就会产生改变，而这个改变就是在体记录的基础。直观理解是通过记录电极来获取神经元胞外的电压变化，这种电压变化既可以是单个神经元的，也就是动作电位的变化（ ，AP）；也可以是一群神经元胞外电压变化的总和，即局部场电位（ ，LFP）。从本质上讲，就是在短时间内，神经元上数万个离子通道通过带电离子进行规律变化。体记录能够很好地捕捉这种精细的离子流变化，离体记录（膜片钳）也能很好地捕捉这种精细的离子流变化。体记录和离体记录在时间精度以及空间范围上有所不同。这里只探讨体记录的相关内容。（PS，关于膜片钳记录有一本书非常值得推荐，《实用膜片钳技术》）

图3 胞内和胞外离子分布2

目前的技术情况下，此方法需把硬质或柔性记录电极植入到动物脑内。在给予一定处理后，能够记录相应脑区的神经元活动变化。这种植入的时间有短暂的，范围是数分钟到数小时；也有长期的，从数月到数年。植入的脑区可以是单个，也可以是多个联合记录。通常，我们所看到的数据真实样子如图 4 所示。这是在比较理想的情况下所呈现的信号。公众号文章将会逐步介绍更多信号的特征以及类型。

图4 在体记录直观看到的信号4–7

获取任务中神经元活动的变化只是完成了一部分，数据处理及解释是另一项重要工作。在文章中常见的图有 5 等，还有很多不同方式。因为大脑自身对我们隐藏了大量过程信息，所以研究员在逆向解析过程中会十分困难，但谁说这样的挑战不是一种巨大的乐趣呢？此公众号会在数据分析相关章节中有规划地进行描述，并且会尽可能地描述目前主流的分析方法。

图5 常见的数据分析方式4,8–10

为什么要让神经元之间通过电和神经递质的方式相互作用呢？它们会编码、传递、计算等处理加工所感知的一切信息，而最终这些信息都表现为细胞电活动形式的变化。所以，利用在体记录的方式来记录神经元的电活动，是解析大自然这一美妙杰作的关键。DNA为我们提供了一幅蓝图框架，然而在这个框架下，功能是如何产生的，这是另一个引人入胜的问题。

体记录在研究和调控大脑方面是十分有利的工具。结合光遗传、药理学、行为学、基因编辑等特定方法，可以探究在学习、记忆、决策、运动等高级活动中神经元的编码方式；利用声、光、电、磁等方式刺激大脑，研究这些方式对神经元活动模式的改变，以及如何实现大脑的调控或模拟天然的触感。目前在科研领域，有许多研究利用一些物种在体电生理记录来获取大脑活动，以此解析大认知功能。例如蜜蜂、金鱼、鬃狮蜥、蛇、蝙蝠、猪、猕猴，还有啮齿动物以及含羞草。在人类研究中，也已经探索应用了很长时间，期待有一天能够大规模应用于临床，为患者造福。

鱼和熊掌的故事让我们明白，不能同时拥有所有。不同的技术在时间和空间上需要达到平衡，它们所对应解决问题的层面也各不相同。体电生理唯一的不足之处在于有创伤，其数量级较小（与神经元数量级数相比）。未来会在各类记录电极板块中进行细致描述。

图6 神经电生理技术对比10

未来发展目前受限于技术，在体记录存在很大突破空间。例如能够同时记录更多神经元，能记录更广泛的脑区，可进行更长时间的记录，还能减少伤害等。这项技术不仅会在基础科研领域展现出卓越的光彩，对脑机接口的发展也极为重要。基础研究领域为理解大脑提供了丰富且深入的认知，脑机接口在工程方面进行实现与应用，二者相辅相成，最终达成造福人类或提升人类的目的。读者欢迎给我们留言、投稿和互动，以参与关于脑机接口的讨论和畅想。最后分享一些大脑的有意思的物理参数 21–26，这些参数在一定程度上对系统设计的各个方面以及记录质量的好坏产生影响。

真正理解神经电生理是一个漫长的过程。此过程涵盖从信号采集到最终完成分析。它涉及材料学、电子电路、神经生物学、计算生物学、信号分析、概率论、线性代数、动力系统、深度学习等多方面内容。本公众号会以系列板块形式，从理论基础、手术实施、硬件选择、信号采集、数据分析、故障排除以及应用实例等方面进行描述。当涉及到上述学科理论的时候，相关的资料会被尽可能地附在文末，同时相关的书籍工具也会如此。

小编展望未来已经到来。我们期待公众号在“在体神经电生理”以及更广阔的科研领域，能够为大家提供一个学习、交流和互动的平台。我们将砥砺前行，不断优化前进，争取以系列板块的形式推出优质文章，让大家有良好的观感。

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