脑科学是是寻求人或动物神智活动的细胞及分子层次生物机制的科学。膜片钳操作通过使用微米级的电极微管吸附脑神经细胞表面，形成平方微米级的细胞膜片，对膜片上离子通道的开关进行检测，是脑科学种离子通道研究的金标准。近年来随着显微操作机器人从体外到体内的发展和脑科学研究需求从贴壁细胞到组织再到活体动物，手动膜片钳操作因此操作难度大，操作成功率低，严重限制了脑科学的发展。开发机器人化膜片钳系统取代人工操作已成为推进脑科学发展的当务之急。

课题组将显微操作机器人技术与膜片钳技术相结合，研发国内首套面向脑科学的机器人化膜片钳系统。在此基础上逐步突破“显示清”、“定位准”、“跟得上”、“动的巧”、“测得真”五大关键技术，分别进行实现单细胞，脑组织和活体动物机器人化膜片钳系统的三级跳，最终将完成面向清醒活体动物脑科学研究的机器人化主动膜片钳系统，如图1所示。

项目组利用购买的美国Axon商用的膜片钳系统的放大器和模数转换器，搭配了相应的显微镜和微动平台，自制了气压控制箱用于膜片钳操作中的气压控制，最终完成了国内首台面向脑科学研究的机器人化膜片钳系统的硬件搭建和软件集成。

项目组实现了小鼠成骨细胞的自动化全细胞封接，如图3所示。首先项目组对电极接近细胞过程进行有限元电学建模，获得了电极接近细胞表面过程中检测电极电阻和距离细胞表面的距离的关系曲线如图4所示；之后结合通过图像处理获得的电极三维位置和细胞水平轮廓，利用该关系曲线实现了细胞高度的无接触测量；通过若干个点处的细胞表面高度拟合出细胞的三维形态信息，最终实现了对细胞的无接触三维形态测量，并基于测得的细胞三维形态选择合适的电极-细胞表面接触位置，使得电极口最大程度的被细胞膜覆盖率，如图5所示。在接触点进行机器人化全细胞膜片钳操作，将贴壁细胞膜片钳操作成功率较人工操作提高了50%，脑片神经细胞达到国际顶尖人工操作。

在上述工作的基础上，项目组将显微操作机器人与双光子显微镜相结合，进行了面向清醒动物脑科学研究的主动机器人化膜片钳系统的研究。针对当前双光子活体膜片钳操作系统存在的操作“盲”，定位“缺”，动作“拙”，实验“难”和动物运动“跟不上”的问题，项目组将在未来五年内突破五大挑战，研制具有“显示清”、“定位准”、“动得巧”、“测得真”、“跟得上”五大功能的机器人化主动膜片钳系统如图6和图7所示。研究内容包括 ：研制1个系统：面向清醒动物脑科学研究的机器人化主动膜片钳系统；突破5项关键技术，清醒动物主动固定与跟踪、基于膜片钳电极内荧光染料流速控制的动态荧光成像、基于双光子显 微图像的三维重建与精准定位、机器人化膜片钳系统的运动规划与主动避障、机器人化细胞封 接、破膜与精准检测；最后，集成关键技术与系统，实现清醒狨猴大脑视觉皮层感应神经元电 生理特征研究的突破性示范应用，来验证本项目功能优越性，同时利用阿尔茨海默病模型小鼠皮层神经元电生理特征研究拓展本项目在不同动物方面的广泛适用性。项目的研究内容如图8所示。

赵新院长接受天津电视台科教频道专访，膜片钳的相关研究工作在《潮天津》节目中播出！