哺乳動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)由各種類型的神經(jīng)元組成。要想了解神經(jīng)回路活動和大腦功能之間的聯(lián)系,需同時記錄和操控大腦中特定類型神經(jīng)元活動。在過去幾年中,人們開發(fā)了各種集成記錄和刺激單元的多功能神經(jīng)探針。該神經(jīng)探針提供了一個強大的平臺,可同時監(jiān)測神經(jīng)元的活動及其對控制良好的刺激的反應(yīng)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道,近日,國家納米科學(xué)技術(shù)中心中國科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點實驗室的王晉芬、方英、李紅變?nèi)谎芯繂T在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Recent developments in multifunctional neural probes for simultaneous neural recording and modulation”的綜述論文,概述了多功能神經(jīng)探針的最新發(fā)展,多動能探針允許通過不同的方式(包括化學(xué)、電和光學(xué)刺激)同時記錄和調(diào)節(jié)神經(jīng)活動。研究人員重點關(guān)注了多功能神經(jīng)探針的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及它們與神經(jīng)組織的接口。最后,他們討論了多功能神經(jīng)探針的前景及存在的挑戰(zhàn)。
同時進行神經(jīng)記錄和化學(xué)傳遞的多功能探針
神經(jīng)調(diào)節(jié)劑給藥在醫(yī)學(xué)上被廣泛用于調(diào)節(jié)神經(jīng)活動和治療神經(jīng)疾病。然而,該技術(shù)不能記錄神經(jīng)活動對神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的反應(yīng),因此缺乏體現(xiàn)神經(jīng)調(diào)節(jié)劑作用的能力。為了解決上述問題,研究人員將藥物遞送系統(tǒng)與記錄電極集成,實現(xiàn)同時遞送神經(jīng)調(diào)節(jié)劑和監(jiān)測神經(jīng)活動。
最初的工作是將微流控通道整合到神經(jīng)探針中,以將神經(jīng)調(diào)節(jié)劑局部遞送到目標(biāo)大腦區(qū)域。例如,Shin等人通過將3入口聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控器件與硅基神經(jīng)探針集成,開發(fā)了一種多功能神經(jīng)探針(圖1a)。為了實現(xiàn)來自不同入口的藥物的快速混合,他們在微流控器件中加入了交錯的人字形混合器,用于將多種藥物混合并遞送到大腦。該多功能探針允許實時記錄神經(jīng)活動對神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的反應(yīng)。
圖1:化學(xué)傳遞的神經(jīng)調(diào)節(jié)活動
用于神經(jīng)記錄和電刺激的多功能神經(jīng)探針
電極的刺激效率由其電荷注入容量(CIC)決定,CIC是可注入腦組織而不會在刺激電極表面引起任何不可逆化學(xué)反應(yīng)的電荷量。此外,贗電容導(dǎo)電聚合物,如聚吡咯(PPy)和EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩單體)聚合物(PEDOT),也被用作涂層,以改善刺激電極的電荷注入容量(圖2a)。
引入這些粗糙層可以增加刺激電極的有效表面積,從而提高刺激電極的CIC。改善CIC的另一種策略是通過刺激電極的結(jié)構(gòu)工程。例如,已經(jīng)開發(fā)的由碳納米管(CNT)、碳納米纖維和多孔鉑(Pt)納米棒陣列組成的刺激電極,與平面電極相比,表現(xiàn)出更高的刺激效率(圖2b)。
此外,研究人員還開發(fā)了用于電刺激的纖維電極,如石墨烯纖維和碳納米管纖維。這些纖維上的大量納米褶皺可顯著增加其有效表面積,從而提高刺激效率。此外,基于纖維刺激電極的小型橫截面積也減少了對腦組織的創(chuàng)傷性植入損傷。
圖2:提高電荷注入容量(CIC)的涂層和結(jié)構(gòu)化刺激微電極示例
同時進行神經(jīng)記錄和光學(xué)調(diào)制的多功能神經(jīng)探針
光遺傳學(xué)可以在行為動物的特定類型細(xì)胞中實現(xiàn)毫秒級神經(jīng)調(diào)節(jié),并極大促進了研究人員對神經(jīng)回路功能的認(rèn)知。在光遺傳學(xué)中,編碼光激活離子通道/泵的基因,即視蛋白,在特定類型的細(xì)胞中表達。當(dāng)吸收合適波長的光時,這些離子通道/泵打開,并允許鈉離子(Na?)或氯離子(Cl?)流入,導(dǎo)致神經(jīng)元去極化(激活)或超極化(沉默)。
該綜述討論了用于電生理記錄和光遺傳學(xué)調(diào)制的多功能神經(jīng)接口,同時討論了基于深度電極的記錄/光調(diào)制接口與各種光傳輸單元,包括光纖、LED、上轉(zhuǎn)換納米顆粒(UCNP)和熱拉伸纖維。
圖3:用于光遺傳刺激的透明皮質(zhì)電描記術(shù)(ECoG)電極示例
圖4:使用光纖和MicroLED的光調(diào)制/記錄接口示例
基于光纖的多功能神經(jīng)探針
多功能光纖探針已被證明可用于低侵入性神經(jīng)活動記錄和調(diào)節(jié)。例如,Canales等人通過熱拉伸工藝開發(fā)了一種全聚合物纖維探針,用于結(jié)合光學(xué)刺激、藥物遞送和神經(jīng)記錄。多功能光纖由聚碳酸酯(PC)波導(dǎo)、環(huán)烯烴共聚物光限制層、額外的聚碳酸酯封裝層和導(dǎo)電聚乙烯記錄電極組成(圖5a)。
聚碳酸酯波導(dǎo)被導(dǎo)電聚乙烯記錄電極和用于藥物遞送的微流控通道包圍。由于其小截面,多功能纖維探針引起腦組織的炎癥反應(yīng)較小,并允許對自由活動的轉(zhuǎn)基因小鼠進行為期超2個月的光遺傳學(xué)刺激/電記錄。
圖5:基于光纖的多功能神經(jīng)接口示例
總之,多功能神經(jīng)探針極大地促進了人們對大腦功能的認(rèn)識。本文綜述了具有不同神經(jīng)調(diào)節(jié)方式的多功能神經(jīng)探針的研究進展,包括化學(xué)刺激、電刺激和光遺傳學(xué)刺激。盡管在多功能神經(jīng)探針方面取得了實質(zhì)性進展,但仍有巨大挑戰(zhàn)亟需解決,包括:
(i)現(xiàn)代多功能神經(jīng)探頭主要由具有相對較大體積的剛性刺激單元(例如微流控和光纖)組成。刺激單元的剛性和大體積會導(dǎo)致大腦組織損傷和炎癥反應(yīng)加劇,這限制了這些多功能探針在漫長研究中的使用。因此,開發(fā)機械順應(yīng)性和微型多功能神經(jīng)探針是當(dāng)務(wù)之急,該類探針可用于長期穩(wěn)定的神經(jīng)記錄和調(diào)制。
(ii)現(xiàn)代神經(jīng)調(diào)制技術(shù)在單神經(jīng)元分辨率下實現(xiàn)類型特異性調(diào)制仍然具有挑戰(zhàn)性。例如,光遺傳調(diào)制和化學(xué)調(diào)制可以實現(xiàn)細(xì)胞特異性調(diào)制,但由于光傳播或化學(xué)擴散,空間分辨率受到限制。因此,開發(fā)具有高時空分辨率和細(xì)胞特異性的新型神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)是非常有意義的,尤其是對于神經(jīng)回路機制的研究。
(iii)神經(jīng)調(diào)節(jié),包括電刺激和光刺激,可導(dǎo)致神經(jīng)元周圍微環(huán)境的變化,包括溫度和pH值。因此,需要將多功能神經(jīng)探針與其它功能集成,如溫度監(jiān)測器和pH傳感器。
解決這些挑戰(zhàn)不僅依賴于神經(jīng)接口的材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,還依賴于材料科學(xué)、電子、機械工程和神經(jīng)科學(xué)的科學(xué)家和工程師的多學(xué)科科學(xué)合作。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:綜述:同時進行神經(jīng)記錄和調(diào)制的多功能探針的最新進展
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