淺析水凝膠基植入式腦神經(jīng)電極用于腦神經(jīng)信號監(jiān)測及光遺傳調(diào)制

監(jiān)測大腦神經(jīng)信號和光遺傳神經(jīng)調(diào)制對于解碼大腦神經(jīng)信息和神經(jīng)衰退性疾病的治療具有重要意義。傳?統(tǒng)腦機(jī)接口中的神經(jīng)探針存在與生物組織的模量不匹配以及透明度和導(dǎo)電性之間的矛盾。因此，與生物組織化學(xué)和機(jī)械性能匹配，并且具有良好導(dǎo)電性和透光性的傳感電極是腦機(jī)接口領(lǐng)域的重要需求。然而，實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定的腦神經(jīng)信號監(jiān)測和神經(jīng)調(diào)制仍然極富挑戰(zhàn)。

?監(jiān)測腦神經(jīng)信號和神經(jīng)調(diào)節(jié)可以分析和理解大腦功能，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)衰退性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ『团两鹕〉龋┑脑\斷與治療。腦機(jī)接口可以通過捕捉神經(jīng)元活動和外部刺激建立大腦與外部設(shè)備之間的直接通信。腦機(jī)接口的信號采集和神經(jīng)調(diào)制功能需要借助神經(jīng)電極來實(shí)現(xiàn)，而這些電極的性能在很大程度上取決于相應(yīng)材料的固有特性，如彈性模量、電導(dǎo)率和透明度等。盡管科學(xué)家在腦機(jī)接口的研發(fā)的開發(fā)中已經(jīng)取得了一些成就，但用于制造可植入電極的材料面臨著一些挑戰(zhàn)，例如化學(xué)和機(jī)械性能的不匹配以及導(dǎo)電性和透光性之間的矛盾。

由于固有的高電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的可植入電極主要使用無機(jī)材料制造。然而，無機(jī)電極的彈性模量遠(yuǎn)高于人體組織的彈性模量。當(dāng)將剛性電極植入大腦以監(jiān)測神經(jīng)信號時，隨著時間的推移，該電極將被神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞覆蓋，這將削弱大腦神經(jīng)信號，阻止電子傳遞。

剛性材料和生物組織之間的機(jī)械性能不匹配將導(dǎo)致長期植入期間的微動，導(dǎo)致神經(jīng)組織損傷和伴隨的異物反應(yīng)。此外，金屬電極在光照下會產(chǎn)生光電偽影，這增加了光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中的信號噪聲并可能導(dǎo)致錯誤結(jié)果。為解決傳統(tǒng)電極的問題，該?工作使用聚吡咯修飾的微凝膠作為交聯(lián)中心制備具有低模量、高拉伸性和高導(dǎo)電性的透明水凝膠電極，并驗(yàn)證其在各種場景中作為可穿戴和可植入傳感器的傳感應(yīng)用。



圖1 水凝膠的結(jié)構(gòu)及其在可穿戴和可植入傳感器中的應(yīng)用示意圖

首先，通過N-異丙基丙烯酰胺、N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺和丙烯酸的共聚合成微凝膠。通過吡咯的原位聚合，在微凝膠表面形成聚吡咯。微凝膠的羧基可以與吡咯相互作用，促進(jìn)吡咯單體在聚（N-異丙基丙烯酰胺）鏈周圍的分布，并形成互穿聚合物鏈結(jié)構(gòu)。

使用過硫酸銨和四甲基乙二胺引發(fā)丙烯酰胺和甲基丙烯酸月桂酯在聚吡咯修飾的微凝膠的分散液中自由基聚合，合成導(dǎo)電水凝膠。由于聚吡咯具有高疏水性，與水凝膠網(wǎng)絡(luò)的相容性較差，這會導(dǎo)致聚吡咯顆粒的聚集并造成水凝膠機(jī)械性能的下降。在此，微凝膠被用作聚吡咯的載體，顯著提高了聚吡咯的穩(wěn)定性，使水凝膠中可以容納更多聚吡咯而不損害水凝膠的機(jī)械性能。通過冷凍掃描電子顯微鏡表征水凝膠的形態(tài)，顯示了聚吡咯修飾的微凝膠在水凝膠基質(zhì)中的均勻分布。



圖2 水凝膠的合成與結(jié)構(gòu)表征

接著，將水凝膠電極植入麻醉大鼠的海馬CA1區(qū)。麻醉大鼠的局部場電位（LFP）通常以δ節(jié)律（0-2 Hz）為主。當(dāng)大鼠的尾巴被夾住時，LFP以θ節(jié)律（2-7 Hz）為主。這說明水凝膠電極成功檢測到體感刺激誘發(fā)電位。當(dāng)將水凝膠電極植入自由運(yùn)動大鼠的海馬CA1區(qū)時，LFP信號在大鼠的清醒和睡眠狀態(tài)中顯示出明顯的差異，頻譜圖顯示睡眠狀態(tài)下θ振蕩的功率更大，這是哺乳動物在睡眠期間產(chǎn)生的大量神經(jīng)元同步活動的結(jié)果。在長達(dá)8周的信號檢測過程中，水凝膠電極與鉑電極相比能夠獲得更穩(wěn)定的LFP信號。

圖3 水凝膠電極在腦信號檢測中的應(yīng)用

此外，使用水凝膠電極作為光傳到介質(zhì)進(jìn)行神經(jīng)調(diào)制，電極的透光性是一項影響調(diào)制效果的重要性能。采用該工作中提出的策略制備的水凝膠電極的透光性遠(yuǎn)高于聚吡咯簡單共混的水凝膠。特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計使其既具有高導(dǎo)電性又具有高透明度。用472 nm藍(lán)色激光照射鉑和水凝膠電極表征光電偽影。

鉑電極產(chǎn)生明顯的信號干擾，而水凝膠電極幾乎沒有觀察到光電偽影。將水凝膠電極分別植入神經(jīng)元被腺相關(guān)病毒轉(zhuǎn)染的大鼠和未被轉(zhuǎn)染的野生大鼠。藍(lán)光脈沖激光可以在轉(zhuǎn)染的大鼠中產(chǎn)生清晰的LFP信號，并且信號的頻率與光脈沖的頻率相關(guān)。

然而，當(dāng)藍(lán)光脈沖激光照射未被轉(zhuǎn)染的大鼠時，沒有獲得LFP信號。這些結(jié)果表明，水凝膠電極不會在大鼠大腦中產(chǎn)生光電偽影。因此，所制備的器件可以實(shí)現(xiàn)體內(nèi)光遺傳神經(jīng)調(diào)控和神經(jīng)信號監(jiān)測的協(xié)同功能。然后通過在8周內(nèi)進(jìn)行光遺傳神經(jīng)調(diào)制并記錄LFP信號來研究設(shè)備的耐久性。LFP信號在測試期間內(nèi)的衰減可忽略不計，這證明水凝膠電極在長期使用期間具有良好的光遺傳神經(jīng)調(diào)制和信號檢測能力。

圖4 水凝膠電極在光遺傳學(xué)中的應(yīng)用

將水凝膠電極植入經(jīng)腺相關(guān)病毒轉(zhuǎn)染的大鼠右側(cè)初級運(yùn)動皮層區(qū)域，以研究神經(jīng)調(diào)制和行為變化。向初級運(yùn)動皮層區(qū)域施加藍(lán)色脈沖激光。水凝膠電極檢測到清晰和規(guī)則的神經(jīng)信號，這些信號的頻率與藍(lán)色脈沖激光的頻率相匹配，且每當(dāng)施加藍(lán)光脈沖激光時，大鼠立即抬起左前爪，幾秒鐘后，整個身體開始向逆時針方向扭轉(zhuǎn)。當(dāng)光刺激終止時，神經(jīng)信號消失，大鼠立即停止扭轉(zhuǎn)行為，恢復(fù)到初始的平靜狀態(tài)。

圖5 水凝膠電極用于動物行為的光遺傳學(xué)調(diào)制

綜上所述，張強(qiáng)研究員團(tuán)隊提出了一種通過超分子結(jié)構(gòu)設(shè)計解決水凝膠神經(jīng)電極透明度和電導(dǎo)率之間平衡的策略，使用制備的水凝膠電極能夠連續(xù)八周記錄穩(wěn)定的腦信號。該水凝膠電極可實(shí)現(xiàn)腦神經(jīng)信號的光遺傳調(diào)制，并且其產(chǎn)生的光電偽影可忽略不計。最后，水凝膠電極被成功應(yīng)用于動物行為的光遺傳學(xué)調(diào)制和和腦神經(jīng)信號的同步監(jiān)測。這是首次建立初級運(yùn)動皮層區(qū)域的大腦神經(jīng)信號與受光刺激調(diào)制的相應(yīng)肢體行為之間的相關(guān)性。

審核編輯：劉清