一款用于高通道的微電極陣列

腦機(jī)接口離體芯片是在多通道微電極陣列（Microelectrode Array，MEA）上進(jìn)行體外神經(jīng)元培養(yǎng)，從而形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人造設(shè)備間的通訊機(jī)制，是腦機(jī)接口方向的一種典型直接神經(jīng)接口，不僅可以實(shí)時(shí)獲取神經(jīng)元的信息活動(dòng)動(dòng)態(tài)變化，為體外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息檢測(cè)提供一種高通量、高信噪比和較好生物相容性的檢測(cè)工具，還能很好地與藥物調(diào)控、電調(diào)控等技術(shù)相結(jié)合來探究調(diào)控下神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)，在腦科學(xué)、腦機(jī)交互和生命健康領(lǐng)域具有重大科學(xué)意義和重要的應(yīng)用前景。然而，離體神經(jīng)元檢測(cè)與調(diào)控的高效器件和芯片的缺乏，許多腦功能在細(xì)胞與網(wǎng)絡(luò)層面的機(jī)制并不明確。通過新型納米復(fù)合材料的定向修飾能夠大幅度提升微電極陣列的相關(guān)性能，從而為設(shè)計(jì)并研制先進(jìn)的腦機(jī)接口芯片提供重要思路。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院蔡新霞團(tuán)隊(duì)和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所許琪團(tuán)隊(duì)合作，制備了一款用于高通道的微電極陣列，適用于體外培養(yǎng)神經(jīng)元或腦切片的信息檢測(cè)與調(diào)控。結(jié)合了PEDOT:PSS/PtNPs納米功能材料，研制出低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲(chǔ)容量、高最大電荷注入密度的腦機(jī)接口，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全的電調(diào)控海馬神經(jīng)元產(chǎn)生刺激下的學(xué)習(xí)功能，并因其高時(shí)空分辨的能力記錄到神經(jīng)元學(xué)習(xí)過程中電生理特征和記憶曲線，進(jìn)而探究了大腦學(xué)習(xí)潛在的神經(jīng)機(jī)制。相關(guān)成果以Supplementary Cover形式發(fā)表在領(lǐng)域重要期刊ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES上。

首先，研究人員通過微加工工藝制備了高通道的微電極陣列。材料方面選用了透明石英玻璃基底、Ti/Pt導(dǎo)電層、SiO?/Si?O?絕緣層和納米復(fù)合材料界面層。此外，電極陣列包含128個(gè)直徑為30μm的檢測(cè)位點(diǎn)，可檢測(cè)微弱的神經(jīng)元信號(hào)。研究中對(duì)比了PEDOT:PSS、PEDOT:PSS/AuNPs和PEDOT:PSS/PtNPs三種納米復(fù)合材料的神經(jīng)界面在神經(jīng)調(diào)控與神經(jīng)檢測(cè)方面的性能。PEDOT:PSS/PtNPs神經(jīng)界面具有低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲(chǔ)容量、高最大電荷注入密度、良好穩(wěn)定性和生物相容性，有效提高微電極檢測(cè)與調(diào)控性能，有利于神經(jīng)信號(hào)的調(diào)控與檢測(cè)。

圖1 用于研究腦功能的離體腦機(jī)接口平臺(tái)

圖2 MEA的制造和修飾示意圖

（a）基板清洗；（b）通過第一次光刻在基板上形成微電極、導(dǎo)線和接觸墊的圖案；（c）濺射Ti/Pt導(dǎo)電層；（d）剝離金屬層；（e）PECVD沉積絕緣層；（f）CHF?蝕刻暴露微電極和接觸墊；（g）PEDOT:PSS電化學(xué)沉積到微電極上；（h）PtNPs沉積到PEDOT:PSS層上；（i）高通道微電極陣列；（j）微電極的內(nèi)部布局。

為了確認(rèn)激活神經(jīng)元的最佳電刺激模式，多種參數(shù)的電刺激被應(yīng)用于海馬神經(jīng)元。如圖3所示，通過評(píng)價(jià)刺激后神經(jīng)元的尖峰放電速率、局部場(chǎng)電位功率和刺激后事件直方圖（PSTH）。確定了幅度為±300mV、脈寬為200μs、頻率為1Hz的雙極性電壓脈沖序列是能夠激活神經(jīng)元學(xué)習(xí)的有效模式。

圖3 不同頻率電刺激對(duì)海馬神經(jīng)元點(diǎn)活動(dòng)的影響

（a）刺激前、0.2Hz刺激后、1Hz刺激后和5Hz刺激后神經(jīng)元尖峰和LFP功率信號(hào)的變化；（b）刺激前、10Hz刺激后、20Hz刺激后和50Hz刺激后神經(jīng)元尖峰和LFP功率信號(hào)的變化；（c）1Hz刺激的刺激后事件直方圖；（d）0.2Hz刺激的刺激后事件直方圖。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，海馬神經(jīng)元在多個(gè)訓(xùn)練電脈沖序列以后表現(xiàn)出學(xué)習(xí)逐漸加深的特征，在神經(jīng)電生理上具體表現(xiàn)神經(jīng)元放電越來越趨向簇狀放電的情況（圖4）。

圖4 海馬神經(jīng)元在學(xué)習(xí)訓(xùn)練后的電生理特征

（a）訓(xùn)練前、第一次訓(xùn)練后、第二次訓(xùn)練后和最后一次訓(xùn)練后的尖峰放電圖；（b）訓(xùn)練前、第一次訓(xùn)練后、第二次訓(xùn)練后和最后一次訓(xùn)練后海馬神經(jīng)元的聯(lián)合尖峰間隔分布圖。

并且神經(jīng)元學(xué)習(xí)后，可培養(yǎng)在多通道微電極陣列上的神經(jīng)元活動(dòng)之間的相關(guān)性與同步性（圖5a和5b）。通過以上結(jié)論，研究人員推斷出神經(jīng)元在學(xué)習(xí)過程中它們之間的聯(lián)系在不斷的加深，就如同人在學(xué)習(xí)事物時(shí)，大腦不同區(qū)域產(chǎn)生協(xié)同作用最終將事物記下。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，在撤去誘導(dǎo)神經(jīng)元學(xué)習(xí)的訓(xùn)練后，神經(jīng)元依然能保持著刺激引發(fā)的高簇狀放電的特征（圖5c）。這貼合人類學(xué)習(xí)一件事情的記憶曲線。

圖5 學(xué)習(xí)訓(xùn)練后海馬神經(jīng)元之間放電的同步性，以及神經(jīng)元尖峰和爆發(fā)放電的記憶曲線

（a）網(wǎng)絡(luò)同步指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的過程；（b）不同階段的歸一化平均同步指數(shù)（n=30，***p<0.001）；（c）訓(xùn)練期間和訓(xùn)練后四小時(shí)的射擊率和爆發(fā)率（n=5）。

總體而言，基于PEDOT:PSS/PtNPs的高通道微電極陣列組成的腦機(jī)接口離體芯片具有良好的生物相容性，與活體腦機(jī)接口芯片相比倫理道德的束縛更小，作為重要的研究工具在腦重大疾病、新型藥物研制、新一代人工智能和器官芯片等諸多重要研究領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c23170

審核編輯 ：李倩