神经元在一个庞大的网络中对刺激进行复杂的交流和反应，协调从基本身体过程到复杂思想的基本功能。传统的神经科学方法，依赖于体内电生理学(在一个活的有机体内)，往往难以解决大脑作为一个整体的复杂性。另一种方法是从生物体中提取细胞，并在培养皿中进行研究(在体外)，为研究人员提供了更好的控制和精确测量神经过程的方法。在《高级科学》杂志的一项新研究中，研究人员揭示了一种具有成本效益的、开源的体外系统，用于与神经元连接，为对神经相互作用感兴趣的研究人员提供了更容易接近的途径。

这项研究是由美国国家科学基金会(NSF)资助的一个名为“体外思维”(Mind in Vitro)的大型项目的一部分，该项目探索神经元如何相互作用，不仅是为了更好地理解大脑等复杂系统的功能，也是为了最终利用体外神经网络进行计算。为了实现这一目标，MiV项目包含了一个高度跨学科的研究小组，包括来自计算机科学、工程学、神经生物学、生理学等领域的研究人员。

“MiV项目的目标是最终使用神经元进行计算，”Gazzola实验室的研究生Zhi (Andrew) Dou解释说，他帮助领导了这个项目。“这将允许一个动态的、不断发展的系统，不像传统的计算系统，实际上也更节能。”

这项新的MiV研究由机械科学与工程副教授Mattia Gazzola (M-CELS)， Gazzola实验室博士后研究员Xiaotian Zhang和Dou领导，描述了一种使用微电极阵列(MEA)技术测量神经元活动的创新方法。虽然有利用类似技术的商业系统，但它们通常很昂贵，并且以特定的实验方法进行营销。

张说:“目前与神经元连接的技术的问题在于，它主要是商业系统，通常在生物化学或传统神经科学中，对于特定的测试条件更加标准化。”“由于我们对活细胞的工程计算范式感兴趣，我们的动机是摆脱更标准化的商业系统，并建立我们自己能够完全控制的东西。”

在新的MiV设备中，细胞被放置在含有mea的板上，允许该技术与神经基质连接。电极检测来自神经元的电压，然后将电压放大并发送给计算机，然后由计算机处理数据。

与标准的60个电极商用系统相比，MiV系统拥有超过500个电极，这允许一次收集更多的数据。与商业系统相比，该系统还包含改进的和/或新颖的功能，例如可移植性，与神经元的双向通信，在记录过程中对神经元进行成像的能力，以及一次测试多种类型输入(电和光学)和多个细胞群的能力。尽管有这些改进，但建造MiV系统的成本比商业系统的成本低10倍，而且完全可以定制。为了进一步推广该系统，研究人员已将其MiV系统的硬件和软件模型开源并免费在线提供。

“让我们的软件和硬件开源对我们来说真的很重要，”张说。“我们希望降低成本，使这项技术可供他人使用，并使其更加灵活和通用，以便研究人员能够真正根据需要定制他们的实验设置。我们的系统不仅适用于一个实验室，或者对某一特定事物感兴趣的一组人，它适用于所有人。”

“我们设计的系统非常容易制造，并且由便宜的部件组成，这将允许许多无法负担商业系统的实验室拥有自己的系统，”窦说。“尽管最初的设计是为了计算研究，但我们已经使结构易于重新设计和扩展，所以我们很确定这将满足研究人员，无论他们想做什么样的研究。”

研究人员表示，其他实验室已经在他们自己的实验中对这项新技术表现出了兴趣。MiV团队计划继续改进设计，使硬件更加自动化和可访问，并探索量化和扩展技术性能的方法。

这项研究是由美国国家科学基金会资助的，可以在https://doi.org/10.1002/advs.202306826上找到。

开源硬件设计和软件的链接可以分别在https://gazzolalab.github.io/MiV-OH/和https://miv-os.readthedocs.io/上找到。