腦是思維的器官，主導(dǎo)生命體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，感覺，語言，情緒等各種生理活動(dòng)，并調(diào)節(jié)機(jī)體與周圍環(huán)境的平衡。在多個(gè)腦區(qū)同時(shí)進(jìn)行神經(jīng)元刺激和生理傳感可得到豐富的神經(jīng)信號(hào)，可以幫助我們對(duì)神經(jīng)通路的運(yùn)轉(zhuǎn)和神經(jīng)遞質(zhì)的傳輸?shù)壬窠?jīng)系統(tǒng)機(jī)理有更深刻的理解。目前已研制出多種用于神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)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(jī)械屬性與柔軟彎曲的腦組織不相容，無法實(shí)現(xiàn)和腦組織的長(zhǎng)期有效的緊密接觸，無法保證生物安全性和信號(hào)的穩(wěn)定性。因此，小型化，多功能集成化并且能實(shí)現(xiàn)多位點(diǎn)刺激和記錄功能的柔性電子器件是腦科學(xué)研究的重要發(fā)展方向。
鑒于此，天津大學(xué)生物醫(yī)學(xué)柔性電子實(shí)驗(yàn)室黃顯教授受海洋中章魚、烏賊等頭足綱軟體動(dòng)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(cè)的多通道植入式柔性電子器件。該器件具有一個(gè)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(shí)現(xiàn)不同波段的光刺激及神經(jīng)信號(hào)記錄(圖1a)。每個(gè)“觸手”都集成了用于光遺傳刺激的微型藍(lán)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(cè)的離子傳感器(圖1b-d)，其功能和時(shí)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(dòng)大鼠的頭上，從而實(shí)現(xiàn)無線式的光刺激和信號(hào)記錄，同時(shí)不會(huì)影響大鼠的正?；顒?dòng)(圖1f-g)。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該器件的機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等各方面性能進(jìn)行了表征測(cè)試,并將該器件植入于活體大鼠的四個(gè)腦區(qū)中(圖2a)。該器件能在四個(gè)不同腦區(qū)中同時(shí)記錄神經(jīng)元的局部場(chǎng)電位和動(dòng)作電位等電生理信號(hào)，信噪比可達(dá)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(dòng)可受特定波長(zhǎng)的光的調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)通過集成的微型藍(lán)光LED和鈣離子傳感器實(shí)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(cè)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(cè)量的新的手段。
研究團(tuán)隊(duì)將該器件植入于一條神經(jīng)通路的兩個(gè)腦區(qū)中(圖3a)，利用該器件功能模塊化的特點(diǎn)，通過光遺傳調(diào)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)沿神經(jīng)通路傳遞的電生理信號(hào)的檢測(cè)(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(tuán)隊(duì)通過大鼠的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)展示了該器件對(duì)自由活動(dòng)大鼠神經(jīng)活動(dòng)和機(jī)體行為的無線調(diào)控的能力(圖3f-g)。
該團(tuán)隊(duì)提出的柔性電子器件具有向四周延展的電子“觸手”，可以實(shí)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(cè)等功能，可以作為一個(gè)全面的，模塊化的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的神經(jīng)刺激和生物生理監(jiān)測(cè)，從而有利于神經(jīng)系統(tǒng)疾病，神經(jīng)調(diào)控和大腦機(jī)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(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Functional Materials。本文的第一作者為天津大學(xué)精儀學(xué)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(xué)基金(No.61604108)，天津市自然科學(xué)基金(No.16JCYBJC40600)和天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金的支持。
