錐形光纖+超柔電極：打造更精準(zhǔn)的腦科學(xué)工具

在神經(jīng)科學(xué)研究中，光遺傳學(xué)技術(shù)通過將攜帶光敏蛋白的病毒注入目標(biāo)腦區(qū)，然后利用特定波長的激光激發(fā)或抑制神經(jīng)元活動，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的神經(jīng)調(diào)控。然而，如果要同步觀察這些神經(jīng)元在受到光刺激時的電生理信號，就需要將激光與電極“打包"到同一套裝置中。但一旦激光照射到電極位點，往往會產(chǎn)生額外的光電偽影噪聲，從而干擾真實神經(jīng)信號的檢測。

如圖1所示，本次發(fā)布的光電神經(jīng)接口采用了錐形光纖作為光源引導(dǎo)的載體，并結(jié)合擁有超低厚度與柔性的超柔電極。這樣既能減輕腦組織創(chuàng)傷、提高生物相容性，又能在較低功率的光照下實現(xiàn)更廣范圍、更均勻的神經(jīng)元激發(fā)。研究人員指出，錐形光纖輸出的光場覆蓋面積大幅提升，對腦組織的光照衰減也相對平口光纖更為平緩。

圖1 光電神經(jīng)接口實驗系統(tǒng)。（a）光遺傳刺激與電生理同步記錄系統(tǒng)；（b）光電神經(jīng)接口示意圖

系統(tǒng)性離體實驗：揭示光電偽影的關(guān)鍵因素

在本研究中，團(tuán)隊首先利用離體環(huán)境（包括磷酸鹽緩沖液、不同奶粉含量的瓊脂糖凝膠等）模擬腦組織中的光散射與離子成分。在不同光功率以及不同離子濃度環(huán)境下，測量了光電偽影的強(qiáng)度、頻譜分布和對電極記錄造成的影響，如圖2所示，結(jié)果表明：1）激光功率越大，光電偽影越強(qiáng)。當(dāng)光功率增至 20 mW 時，偽影峰值可超過數(shù)百微伏，主要對低頻段（局部場電位，LFP）造成干擾。2）介質(zhì)中離子種類與含量會放大偽影。研究發(fā)現(xiàn)，隨著奶粉（內(nèi)含金屬離子）濃度的增大，偽影峰值也呈上升趨勢，這與電極/電解質(zhì)界面的法拉第過程和雙電層效應(yīng)密切相關(guān)。

圖2 光電偽影的離體表征實驗。（a）離體信號采集實物圖；（b）光輻照期間 LFP 和 AP 頻段數(shù)據(jù)；（c）不同通道中的光電偽影波形圖

團(tuán)隊成員表示，這些離體實驗數(shù)據(jù)為后續(xù)在體實驗及光電極的改進(jìn)提供了理論與實驗依據(jù)。

活體驗證：光電接口長時間穩(wěn)定記錄

為了進(jìn)一步證明該光電極在真實神經(jīng)組織環(huán)境中的表現(xiàn)，研究人員將新型光電極植入小鼠的CA1腦區(qū)，并進(jìn)行了長達(dá)數(shù)周的追蹤記錄。結(jié)果顯示：1）電極阻抗在初期波動，兩周后趨于穩(wěn)定。這是由于組織免疫炎癥反應(yīng)在植入前期比較明顯，后期隨愈合與適應(yīng)逐漸減輕。2）低功率光刺激可有效激發(fā)神經(jīng)元，同時干擾更小。實驗表明，對于需要大范圍激活神經(jīng)元時會使用更高光功率，但光電偽影也隨之增強(qiáng)。為兼顧激發(fā)效果與記錄質(zhì)量，研究團(tuán)隊會在今后進(jìn)一步優(yōu)化材料與光學(xué)設(shè)計。

圖3 光電偽影活體表征。（a）光電極植入活體小鼠后進(jìn)行同步光輻照與電生理采集實驗（未注射病毒）；（b）LFP和AP頻段在光輻照時的波形

光遺傳學(xué)刺激與電生理記錄同步驗證

在注入了光遺傳病毒的小鼠中，研究團(tuán)隊用473 nm激光脈沖進(jìn)行光刺激，并同步記錄該腦區(qū)神經(jīng)元放電情況。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在激光脈沖照射期間，神經(jīng)元發(fā)放率顯著上升，表明這種光電極對神經(jīng)元活動具有確切的調(diào)控和記錄功能。對于干擾部分，研究團(tuán)隊也驗證了模板減法、主成分分析等方法在后端數(shù)據(jù)處理中可以起到良好的去偽影效果。

圖4 光遺傳調(diào)控與同步電生理記錄實驗驗證。（a）光遺傳調(diào)控示意圖；（b）LFP和 AP頻段在光刺激時的波形；（c）光電偽影功率譜密度（光脈沖從0.1 s開始持續(xù)100 ms）

總結(jié)與展望

研究團(tuán)隊表示，該新型光電神經(jīng)接口有望廣泛應(yīng)用于神經(jīng)環(huán)路機(jī)理探究、神經(jīng)退行性疾病模型研究，以及腦機(jī)接口等領(lǐng)域。在今后的研究中，團(tuán)隊將著力于：

1、電極材料表面修飾及新材質(zhì)探索，如石墨烯、Pt-Black/PEDOT等材料或表面鍍膜，可更有效降低光電偽影。

2、光學(xué)結(jié)構(gòu)與多通道設(shè)計，如增加錐形光纖的通道數(shù)量，或優(yōu)化光耦合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更精準(zhǔn)、更大范圍且均勻的光輻照。

3、智能算法與長時程數(shù)據(jù)分析，如借助機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析，對光遺傳與電生理記錄進(jìn)行更深入的模式識別，攻克噪聲與偽影難題。

此次研究成果不僅為高精度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究提供了新方法，也為日后更復(fù)雜、更可控的植入式神經(jīng)調(diào)控設(shè)備帶來了新的希望。論文作者指出，隨著技術(shù)的不斷成熟，這一融合光遺傳學(xué)與超柔電極的多模態(tài)神經(jīng)接口或?qū)⒊蔀槲磥砟X科學(xué)與臨床神經(jīng)醫(yī)學(xué)研究中的關(guān)鍵突破口。研究團(tuán)隊同時呼吁，若有更多領(lǐng)域的學(xué)者及產(chǎn)業(yè)合作方能加入，將共同推進(jìn)該新型光電神經(jīng)接口在基礎(chǔ)科研和醫(yī)療應(yīng)用中的落地與升級。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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