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  近期，浙江大學(xué)汪浩教授、奚望副研究員以及哈佛大學(xué)鎖志剛院士團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種基于PVA-ACSF水凝膠為離子導(dǎo)電體，PDMS為絕緣層的新型硬腦膜下皮層電極——hydrogel-elastomer neural interface (HENI)。相較于傳統(tǒng)的金屬電極，HENI電極具有高度的生物相容性，核磁兼容性以及與光成像技術(shù)聯(lián)用的多模態(tài)性特征。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Subdural Neural Interfaces for Long-term Electrical Recording, Optical Microscopy and Magnetic Resonance Imaging”發(fā)表在Biomaterials。

圖一，水凝膠皮層電極的設(shè)計(jì)理念及基礎(chǔ)特性

  硬腦膜下皮層電極（ECoG電極）是一種重要的神經(jīng)記錄接口，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于癲癇病灶定位、意識(shí)控制義肢等臨床，以及科研領(lǐng)域。但如今以金屬作為導(dǎo)電材料的ECoG電極生物相容性差，極易損傷腦表面；還因其不透光等特性限制了ECoG電極的多模態(tài)應(yīng)用（如和光遺傳學(xué)，雙光子成像和MRI成像等）。

  為了解決以上問題，浙江大學(xué)汪浩教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)奚望副研究員以及哈佛大學(xué)鎖志剛院士團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種新型PVA-ACSF水凝膠電極。該電極具有力學(xué)性能與化學(xué)性質(zhì)和腦組織高度相似，高透光性以及核磁兼容性等特點(diǎn)，因此具有廣泛的臨床和科研應(yīng)用價(jià)值。

圖二，水凝膠電極記錄到的電信號(hào)質(zhì)量和金屬電極高度相似

  該P(yáng)VA-ACSF水凝膠電極可記錄到具有高度時(shí)空分辨率的高質(zhì)量皮層神經(jīng)電信號(hào)。

圖三，金屬和凝膠電極埋置98天后電極及周圍血管形態(tài)變化

  經(jīng)過98天的長時(shí)間埋置后評(píng)估，該電極及其周圍區(qū)域的血管增生形變以及膠質(zhì)細(xì)胞增生情況要顯著少于金屬電極。

圖四，水凝膠皮層電極可實(shí)現(xiàn)雙光子鈣成像和電信號(hào)同步記錄

  結(jié)合PVA-ACSF水凝膠在光學(xué)成像常用波長的高度透光性，通過雙光子顯微鏡采集電極點(diǎn)下方神經(jīng)元鈣信號(hào)和血管信號(hào)的同時(shí)也在體記錄了神經(jīng)元活動(dòng)的電信號(hào)，這種多模態(tài)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)可以從多維度同時(shí)觀察解析小鼠不同生理或者病理狀態(tài)下的神經(jīng)元活動(dòng)和血管的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于研究腦區(qū)互作或者神經(jīng)血管互作的機(jī)制等提供了新的思路與方法。

圖五，水凝膠皮層電極不影響MRI成像（不會(huì)像右方的金屬電極產(chǎn)生很大的偽影）

  最后基于PVA-ACSF水凝膠的化學(xué)構(gòu)成和腦組織高度相似性，顯示水凝膠電極不影響MRI核磁成像。綜上這種新型的PVA-ACSF水凝膠電極不僅有巨大的臨床應(yīng)用潛力，它的高度透光性以及核磁兼容性等特點(diǎn)使它可以和光學(xué)成像，核磁成像以及光遺傳學(xué)等先進(jìn)技術(shù)相配合，為基礎(chǔ)研究提供更多的選擇與可能性。本文的第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后王曉萌，共同第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生王夢(mèng)琪和哈佛大學(xué)博士生盛昊。浙江大學(xué)生儀學(xué)院博士生朱亮為本文做出了重要貢獻(xiàn)。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院汪浩教授、浙江大學(xué)系統(tǒng)神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)研究所奚望副研究員以及哈佛大學(xué)鎖志剛教授為本文的共同通訊作者。該工作也是繼合作團(tuán)隊(duì)2019年在Extreme Mechanics Letters發(fā)表的侵入式水凝膠電極后續(xù)合作研究。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961221007080

課題組簡介：

  浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院汪浩教授：汪浩教授為浙江大學(xué)衛(wèi)生部醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室PI，教育部長江青年學(xué)者，基金委“優(yōu)青”項(xiàng)目獲得者，浙江省“杰青”項(xiàng)目獲得者，博士生導(dǎo)師。2006年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)并獲神經(jīng)科學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，于2007年加入美國杰克遜實(shí)驗(yàn)室從事神經(jīng)環(huán)路發(fā)育的神經(jīng)機(jī)制研究。2012年全職回國加盟浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物系。主要研究領(lǐng)域?yàn)楸灸苄袨榈纳窠?jīng)環(huán)路機(jī)制和基于水凝膠的多模態(tài)柔性電極研發(fā)。在先天性恐懼的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制研究上開創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)了外側(cè)僵核到背外側(cè)被蓋區(qū)的通路對(duì)于嗅覺誘導(dǎo)的先天性恐懼起到至關(guān)重要的作用。最新的研究發(fā)現(xiàn)外側(cè)下丘腦和終紋床核到中央導(dǎo)水管灰質(zhì)區(qū)的GABA能通路在攝食調(diào)控中起到十分重要的作用。其研究結(jié)果以通訊作者身份多次發(fā)表在Nature Neuroscience, Biomaterials, Cell Reports和eLife等SCI雜志上，并被多家新聞媒體和相關(guān)學(xué)術(shù)雜志和網(wǎng)站評(píng)論報(bào)道。近年來獲得浙江省、教育部、國家自然基金委及科技部多項(xiàng)基金資助。

  浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院奚望副研究員：浙江大學(xué)系統(tǒng)神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)研究所副研究員，先后在南京大學(xué)和中國科學(xué)院神經(jīng)所獲得學(xué)士和博士學(xué)位。主要研究興趣為應(yīng)用多光子成像技術(shù)研究從嚙齒類到非人靈長類的神經(jīng)血管耦合相關(guān)機(jī)制，以及神經(jīng)血管耦合機(jī)制在腦功能如睡眠、注意、意識(shí)等神經(jīng)認(rèn)知功能中的作用。相關(guān)工作以第一作者及通訊作者發(fā)表于Biomaterials、J. Nucl. Med.、Theronatics等國際知名雜志。主持與參與多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等研究項(xiàng)目。

  哈佛大學(xué)鎖志剛教授：鎖志剛教授，國際著名力學(xué)家，哈佛大學(xué)終身教授，美國科學(xué)院院士、工程院院士。1985年，本科畢業(yè)于西安交通大學(xué)力學(xué)系。1989年，在美國哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位。在力學(xué)與材料科學(xué)的諸多領(lǐng)域開展了廣泛研究，在Nature, Science 等期刊上發(fā)表論文460余篇，Google引用67000余次，H因子136。近年來，在水凝膠等軟材料領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。