腦是思維的器官,主導生命體內(nèi)運動,感覺,語言,情緒等各種生理活動,并調(diào)節(jié)機體與周圍環(huán)境的平衡。在多個腦區(qū)同時進行神經(jīng)元刺激和生理傳感可得到豐富的神經(jīng)信號,可以幫助我們對神經(jīng)通路的運轉(zhuǎn)和神經(jīng)遞質(zhì)的傳輸?shù)壬窠?jīng)系統(tǒng)機理有更深刻的理解。目前已研制出多種用于神經(jīng)信號檢測的器件,如基于硅基底的微針陣列,高密度金屬微絲電極等。這些器件的機械屬性與柔軟彎曲的腦組織不相容,無法實現(xiàn)和腦組織的長期有效的緊密接觸,無法保證生物安全性和信號的穩(wěn)定性。因此,小型化,多功能集成化并且能實現(xiàn)多位點刺激和記錄功能的柔性電子器件是腦科學研究的重要發(fā)展方向。

鑒于此,天津大學生物醫(yī)學柔性電子實驗室黃顯教授受海洋中章魚、烏賊等頭足綱軟體動物的啟發(fā),結(jié)合柔性電子技術(shù)的研究背景,提出了一種新型的用于多腦區(qū)光電刺激與生理檢測的多通道植入式柔性電子器件。該器件具有一個中央控制電路以及向四周伸展的具備多種傳感器的“觸手”。

這些“觸手”可分別植入于不同腦區(qū),實現(xiàn)不同波段的光刺激及神經(jīng)信號記錄(圖1a)。每個“觸手”都集成了用于光遺傳刺激的微型藍光LED,用于電刺激和電生理記錄的微電極陣列,以及用于胞外離子濃度監(jiān)測的離子傳感器(圖1b-d),其功能和時序由中心電路控制。電路和器件由鋰離子電池供電(圖1e),可固定于自由活動大鼠的頭上,從而實現(xiàn)無線式的光刺激和信號記錄,同時不會影響大鼠的正?;顒?圖1f-g)。

天津大學黃顯團隊《AFM》:“八爪魚”——用于多腦區(qū)光電刺激和生理檢測的多通道植入式柔性電子器件
圖1. 多通道柔性植入式電子器件的工作示意圖及器件結(jié)構(gòu)圖

 

研究團隊對該器件的機械、電學、光學和熱學等各方面性能進行了表征測試,并將該器件植入于活體大鼠的四個腦區(qū)中(圖2a)。該器件能在四個不同腦區(qū)中同時記錄神經(jīng)元的局部場電位和動作電位等電生理信號,信噪比可達8.1(圖2b-d)。通過向腦區(qū)神經(jīng)元植入光敏蛋白,該腦區(qū)的神經(jīng)活動可受特定波長的光的調(diào)控,研究團隊通過集成的微型藍光LED和鈣離子傳感器實現(xiàn)了在光遺傳刺激下神經(jīng)元微環(huán)境中鈣離子濃度的原位測試(圖2e-f),為光遺傳神經(jīng)調(diào)控提供了多腦區(qū)并行調(diào)控和神經(jīng)通路測量的新的手段。

天津大學黃顯團隊《AFM》:“八爪魚”——用于多腦區(qū)光電刺激和生理檢測的多通道植入式柔性電子器件
圖2. 活體大鼠電生理記錄與鈣離子濃度監(jiān)測

 

研究團隊將該器件植入于一條神經(jīng)通路的兩個腦區(qū)中(圖3a),利用該器件功能模塊化的特點,通過光遺傳調(diào)控實現(xiàn)了對沿神經(jīng)通路傳遞的電生理信號的檢測(圖3b-d),為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究提供了新的工具。最后,研究團隊通過大鼠的行為學實驗展示了該器件對自由活動大鼠神經(jīng)活動和機體行為的無線調(diào)控的能力(圖3f-g)。

天津大學黃顯團隊《AFM》:“八爪魚”——用于多腦區(qū)光電刺激和生理檢測的多通道植入式柔性電子器件
圖3.活體大鼠的神經(jīng)通路檢測和行為學實驗

 

該團隊提出的柔性電子器件具有向四周延展的電子“觸手”,可以實現(xiàn)具有可編程工作序列的多腦區(qū)中的光電刺激,生物電生理記錄和離子監(jiān)測等功能,可以作為一個全面的,模塊化的平臺來實現(xiàn)復雜的神經(jīng)刺激和生物生理監(jiān)測,從而有利于神經(jīng)系統(tǒng)疾病,神經(jīng)調(diào)控和大腦機制的研究。

相關(guān)工作已于6月17日線上發(fā)表于工程科學領(lǐng)域頂級期刊Advanced Functional Materials。本文的第一作者為天津大學精儀學院博士研究生凌偉,通訊作者為黃顯教授。上述工作得到了國家自然科學基金(No.61604108),天津市自然科學基金(No.16JCYBJC40600)和天津大學自主創(chuàng)新基金的支持。

 

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