上海交大劉景全團(tuán)隊發(fā)表面向單神經(jīng)元的多功能腦機(jī)接口器件新進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微米納米加工技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉景全團(tuán)隊在面向單神經(jīng)元的多功能腦機(jī)接口器件領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“An opto-electrophysiology neural probe with photoelectric artifact-free for advanced single-neuron analysis”(一種用于先進(jìn)單神經(jīng)元分析的無光電偽影的光電生理神經(jīng)探針)為題在國際著名期刊《ACS Nano》上發(fā)表。
 

研究背景
 

　　單神經(jīng)元信號檢測技術(shù)可以從分子水平揭示神經(jīng)元的內(nèi)在機(jī)制。以單神經(jīng)元為靶點(diǎn)的光電生理神經(jīng)探針為利用不同物理量闡明神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)制提供了重要途徑，是腦機(jī)接口器件的未來重要發(fā)展方向之一。然而，在亞細(xì)胞尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)探針的多功能集成難度大且常規(guī)植入式腦機(jī)接口器件難以實(shí)現(xiàn)胞內(nèi)植入。除此之外，光電偽影的存在使目標(biāo)信號的提取和分析變得復(fù)雜。鑒于此，該團(tuán)隊著力探索應(yīng)用于單神經(jīng)元/亞細(xì)胞域的光電功能集成神經(jīng)探針，并開發(fā)消除光電偽影的有效方法。
 

　　亮點(diǎn)內(nèi)容
 

　　該研究借助激光輔助拉制技術(shù)和微納加工工藝制作了一種用于單神經(jīng)元內(nèi)電記錄和光刺激的光電生理神經(jīng)探針。該探針以納米管為基礎(chǔ)具備多層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用納米光纖作為光通道，氧化銥材料作為電通道分別集成在尖端的內(nèi)外層。彎曲和植入測試證明該探針的機(jī)械性能滿足腦內(nèi)植入需求且具有較好的抗污染能力。設(shè)計的全內(nèi)反射層解決了與常規(guī)植入式腦機(jī)接口器件相比在單神經(jīng)元分析中更為突出的光電偽影問題。該光電生理神經(jīng)探針為胞內(nèi)多功能腦機(jī)接口器件提供了通用而有效的工具。
 

光電生理神經(jīng)探針制備流程
 

　　該團(tuán)隊選用小鼠海馬體神經(jīng)元細(xì)胞系進(jìn)行細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，評估結(jié)果顯示探針對細(xì)胞的無損率高于錐形化光纖，并證明在探針插入過程中細(xì)胞膜可完全包裹電極尖端，沒有發(fā)生胞內(nèi)物質(zhì)和活性的改變。通過調(diào)整探針尖端直徑，可以實(shí)現(xiàn)對單個神經(jīng)元和局部神經(jīng)元的熒光點(diǎn)亮，這種能力使該探針具有對細(xì)胞核、線粒體、部分內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等細(xì)胞器進(jìn)行光刺激研究的潛力。除此之外，成功記錄到雙光通道探針在可見光(380-750 nm)范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。
 

細(xì)胞活力與光刺激測試
 

　　為探究光電生理神經(jīng)探針的抗光電偽影能力，從有限元仿真和電信號波形方面進(jìn)行了對比分析。有限元仿真分析證明光通道內(nèi)的電場強(qiáng)度提高了50%且空氣域中的光泄露幾乎為零。通過記錄10 Hz光源下的電信號波形可以得出，光電生理神經(jīng)探針在有無光刺激時的背景噪聲沒有差異，且噪聲頻數(shù)統(tǒng)計分布相似，均呈現(xiàn)出隨機(jī)噪聲具備的正態(tài)分布特征。結(jié)果表明，TIR層的引入可有效防止光泄露，并在時域上消除光電偽影，在頻域上功率譜密度與其他噪聲水平相當(dāng)。
 

光電偽影對比分析
 

　　該工作面向多物理量精確調(diào)控與探測神經(jīng)元的新型研究方法，在推動胞內(nèi)腦機(jī)接口器件發(fā)展和開發(fā)新型神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療策略方面極具潛力。在未來應(yīng)用到在體之前，需要對特定細(xì)胞模型進(jìn)行更加全面的性能評估，開發(fā)可靠的配套植入裝置，實(shí)現(xiàn)安全有效的跨尺度信號記錄與分析。
 

　　研究團(tuán)隊
 

　　上海交通大學(xué)電院劉景全教授為通訊作者，博士生徐慶達(dá)為第一作者，該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
 

　　劉景全教授團(tuán)隊長期致力于可穿戴/可植入柔性電子器件、MEMS腦機(jī)接口器件等研究(Sci. Adv. 2021、Adv. Mater. 2021、Adv. Funct. Mater. 2023、ACS Nano 2023、Small 2019、和Biosens. Bioelectron. 2024等)，并推動其臨床轉(zhuǎn)化。