方英課題組在活體神經信息分析技術方面取得重要進展

发布时间:2019-04-02 | 【打印】 【關閉】

  近日,国家纳米科学中心方英研究員和神经所李澄宇研究員及其团队在高密度柔性神经流苏及活体神经信号稳定测量方面取得重要进展。相关論文 “Elastocapillary self-assembled neurotassels for stable neural activity recordings”(《自组装柔性神经流苏对神经电活动的稳定测量》)发表在Science Advances,2019,5,eaav2842。論文第一作者是国家纳米科学中心的博士研究生管寿梁、助理研究員王晋芬和神经所的博士研究生顾晓炜,通讯作者是方英研究員和李澄宇研究員。 

  解析大腦功能是人類認識自然與自身的終極目標。大腦通過神經元細胞的電活動進行信息的傳遞、轉換和整合,進而完成各種功能,包括感知覺、學習、記憶、抉擇和運動控制等。而微觀水平上神經元電活動的異常,與抑郁症、帕金森病、精神分裂症及阿爾茲海默症等一系列神經系統疾病密切關聯。要理解大腦的工作機制以及腦疾病的致病機理,必須精確掌握神經元的電活動信息,因此依賴于活體神經信息分析技術的發展。然而,傳統的剛性矽基或金屬微電極在手術植入柔軟的腦組織後,由于尺寸和力學性能的巨大差異,使得電極與腦組織之間發生相對微移動並引起炎症反應,導致剛性微電極難以對神經電信號進行長期穩定讀取。

  方英課題組利用自組裝的概念構建了高密度的神經流蘇電極技術,並和李澄宇課題組合作實現了對大腦內側前額葉皮層神經元電活動的長期穩定讀取。該工作中的神經流蘇由上千根超細的柔性神經纖維電極組成。每一個柔性神經纖維電極的截面只有3×1.5μm2,達到了神經元軸突的尺寸,比目前國際上報道的最小值還要小一個數量級。通過巧妙設計,將神經流蘇浸沒在熔融的聚乙二醇液體中,在液體表面張力的作用下,上千根柔性神經纖維電極自組裝形成高密度神經電極/聚乙二醇複合細絲,從而極大地降低了手術植入過程中電極對腦組織的損傷。聚乙二醇可在腦組織內降解代謝,釋放後的超細柔性神經纖維電極能夠原位、精准測量清醒大腦內側前額葉皮層中多個神經元電活動。尤其重要的是,柔性神經流蘇與腦組織的力學性能相匹配,因此形成了良好相容性的界面,並實現了對活體大腦神經元電活動的長期穩定記錄。

            (a)柔性神經流蘇的自組裝過程;(b)組裝後的柔性神經流蘇;(c)柔性神經流蘇電極截面圖;(d)柔性神經流蘇對活體神經信號的長期穩定記錄;

            (e)柔性神經流蘇與腦組織的相容性界面。 

  柔性神經流蘇技術在電極尺寸、集成密度和生物相容性方面均處于國際領先水平,將爲我國腦科學和腦疾病研究提供新方法,並在腦機接口和神經修複等領域具有重要的應用前景。該項研究得到國家自然科學基金重大項目“帕金森綜合症的神經分析化學基礎研究”和中科院先導B項目“腦認知與類腦前沿研究”的支持。

論文链接:http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaav2842

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