腦是思維的器官，主導生命體內運動，感覺，語言，情緒等各種生理活動，并調節(jié)機體與周圍環(huán)境的平衡。在多個腦區(qū)同時進行神經(jīng)元刺激和生理傳感可得到豐富的神經(jīng)信號，可以幫助我們對神經(jīng)通路的運轉和神經(jīng)遞質的傳輸?shù)壬窠?jīng)系統(tǒng)機理有更深刻的理解。目前已研制出多種用于神經(jīng)信號檢測的器件，如基于硅基底的微針陣列，高密度金屬微絲電極等。這些器件的機械屬性與柔軟彎曲的腦組織不相容，無法實現(xiàn)和腦組織的長期有效的緊密接觸，無法保證生物安全性和信號的穩(wěn)定性。因此，小型化，多功能集成化并且能實現(xiàn)多位點刺激和記錄功能的柔性電子器件是腦科學研究的重要發(fā)展方向。
鑒于此，天津大學生物醫(yī)學柔性電子實驗室黃顯教授受海洋中章魚、烏賊等頭足綱軟體動物的啟發(fā)，結合柔性電子技術的研究背景，提出了一種新型的用于多腦區(qū)光電刺激與生理檢測的多通道植入式柔性電子器件。該器件具有一個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)，實現(xiàn)不同波段的光刺激及神經(jīng)信號記錄(圖1a)。每個“觸手”都集成了用于光遺傳刺激的微型藍光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)測的離子傳感器(圖1b-d)，其功能和時序由中心電路控制。電路和器件由鋰離子電池供電(圖1e)，可固定于自由活動大鼠的頭上，從而實現(xiàn)無線式的光刺激和信號記錄，同時不會影響大鼠的正常活動(圖1f-g)。
研究團隊對該器件的機械、電學、光學和熱學等各方面性能進行了表征測試,并將該器件植入于活體大鼠的四個腦區(qū)中(圖2a)。該器件能在四個不同腦區(qū)中同時記錄神經(jīng)元的局部場電位和動作電位等電生理信號，信噪比可達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)活動可受特定波長的光的調控，研究團隊通過集成的微型藍光LED和鈣離子傳感器實現(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試(圖2e-f)，為光遺傳神經(jīng)調控提供了多腦區(qū)并行調控和神經(jīng)通路測量的新的手段。
研究團隊將該器件植入于一條神經(jīng)通路的兩個腦區(qū)中(圖3a)，利用該器件功能模塊化的特點，通過光遺傳調控實現(xiàn)了對沿神經(jīng)通路傳遞的電生理信號的檢測(圖3b-d)，為神經(jīng)網(wǎng)絡的研究提供了新的工具。最后，研究團隊通過大鼠的行為學實驗展示了該器件對自由活動大鼠神經(jīng)活動和機體行為的無線調控的能力(圖3f-g)。
該團隊提出的柔性電子器件具有向四周延展的電子“觸手”，可以實現(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)測等功能，可以作為一個全面的，模塊化的平臺來實現(xiàn)復雜的神經(jīng)刺激和生物生理監(jiān)測，從而有利于神經(jīng)系統(tǒng)疾病，神經(jīng)調控和大腦機制的研究。
相關工作已于6月17日線上發(fā)表于工程科學領域頂級期刊Advanced Functional Materials。本文的第一作者為天津大學精儀學院博士研究生凌偉，通訊作者為黃顯教授。上述工作得到了國家自然科學基金(No.61604108)，天津市自然科學基金(No.16JCYBJC40600)和天津大學自主創(chuàng)新基金的支持。
