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長(zhǎng)春應(yīng)化所張強(qiáng)研究員課題組與合作者《Adv. Mater.》: 拓?fù)渌z腦神經(jīng)電極用于腦信號(hào)監(jiān)測(cè)、神經(jīng)調(diào)控和中風(fēng)治療
2023-12-06  來源：高分子科技


  中風(fēng)通常導(dǎo)致偏癱甚至死亡，盡管目前的臨床方法可以控制中風(fēng)的病情，但仍難以實(shí)現(xiàn)完全康復(fù)。新興的腦機(jī)接口有望調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路，促進(jìn)大腦功能紊亂的恢復(fù)。可植入探針在腦機(jī)接口中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但在導(dǎo)電性和模量匹配/透光性之間存在兩種不可調(diào)和的權(quán)衡。因此，開發(fā)具有良好導(dǎo)電性、組織模量匹配性以及透光性的可植入神經(jīng)探針以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)退行性疾病（如中風(fēng)）的診療仍具有極大挑戰(zhàn)性。


圖1. 拓?fù)渌z結(jié)構(gòu)、性能和作為植入式神經(jīng)探針的應(yīng)用示意圖。


  近期，長(zhǎng)春應(yīng)化所張強(qiáng)研究員與解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第989醫(yī)院常祺主任醫(yī)師合作，通過在拓?fù)渌z中引入機(jī)械互鎖的聚輪烷結(jié)構(gòu)（PR-PEGMA）作為水凝膠的交聯(lián)劑。PR-PEGMA含有聚乙二醇（PEG）骨架和15個(gè)具有PEGMA側(cè)鏈的環(huán)糊精（CDs）。這15個(gè)CDs由PEG骨架串接，然后由大的基團(tuán)封端。CD交聯(lián)位點(diǎn)像滑輪一樣沿著PEG鏈自由滑動(dòng)，產(chǎn)生低彈性模量和更大的強(qiáng)度。在水凝膠中使用聚（3，4-亞乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）作為導(dǎo)電填料以獲得良好的導(dǎo)電性，PEDOT沿著CDs上的PEG鏈排列導(dǎo)致了高導(dǎo)電性。此外，CDs在PEG主鏈上的滑動(dòng)作用減少了PEDOT鏈的聚集，從而減少了PEDOT與光波相互作用，提高水凝膠透光性。并進(jìn)一步證明了拓?fù)渌z是作為理想的可植入神經(jīng)探針，用于獲取大腦信號(hào)、調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路和治療中風(fēng)。 


圖2. 拓?fù)渌z的制備及力學(xué)、電化學(xué)學(xué)性能表征。 


圖3. 拓?fù)渌z的生物相容性表征。

  通過對(duì)拓?fù)渌z（AP6P1H）進(jìn)行力學(xué)性能、電化學(xué)學(xué)性能和生物相容性表征，證明了AP6P1H具有良好的生物相容性和高導(dǎo)電性，這些性能支持了長(zhǎng)期記錄腦神經(jīng)信號(hào)、進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控的可能性。 


圖4. 拓?fù)渌z神經(jīng)探針在腦神經(jīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。


  通過使用AP6P1H連續(xù)記錄了8周大鼠處于睡眠狀態(tài)下的LFP信號(hào)并記錄夾尾刺激下體感誘發(fā)電位，驗(yàn)證了AP6P1H電極記錄各種振蕩節(jié)律的優(yōu)異能力和長(zhǎng)期記錄信號(hào)的能力，其在調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路和解碼神經(jīng)傳遞信息方面具有重要應(yīng)用。 


圖5. 拓?fù)渌z神經(jīng)探針在光遺傳學(xué)調(diào)控中的應(yīng)用。


  光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控通過直接調(diào)節(jié)靶向腦功能區(qū)，為治療腦功能紊亂提供了有前景的技術(shù)。AP6P1H可同時(shí)作為光纖和電極，當(dāng)用藍(lán)色脈沖激光（473 nm）刺激M1區(qū)域時(shí)，可以獲得清晰的LFP信號(hào)，在神經(jīng)調(diào)控的4周內(nèi)未觀察到明顯的信號(hào)衰減。此外，將藍(lán)色脈沖（20 Hz，20 mW）施加到大鼠的M1區(qū)域時(shí)，在大鼠進(jìn)行相應(yīng)的肢體行為時(shí)，能同時(shí)觀察到相應(yīng)的LFP信號(hào)，這些結(jié)果證明了AP6P1H的光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控能力，可用于后續(xù)治療中風(fēng)。 


圖6. 拓?fù)渌z神經(jīng)探針在光遺傳治療中風(fēng)中的應(yīng)用。


  光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)可以選擇性地觸發(fā)或抑制特定的神經(jīng)元和神經(jīng)回路，以促進(jìn)軸突發(fā)芽并重新連接大腦回路。首先建立局灶性大腦中動(dòng)脈栓塞模型（MCAO），對(duì)中風(fēng)大鼠進(jìn)行為期12天的連續(xù)光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)，通過2，3，5-三苯基氯化四氮唑（TTC）染色，NeuN、缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1α）免疫熒光分析以及三種行為學(xué)測(cè)試（旋轉(zhuǎn)梁測(cè)試、轉(zhuǎn)角（corner turn tests）和前肢放置測(cè)試），這些結(jié)果都證明了光遺傳學(xué)調(diào)控在促進(jìn)中風(fēng)大鼠運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)中的重要作用。
該成果以“Topological Hydrogels for Long-Term Brain Signal Monitoring, Neuromodulation, and Stroke Treatment”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上，該論文第一作者為長(zhǎng)春應(yīng)化所博士研究生沈珍珍，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所張強(qiáng)研究員與聯(lián)勤保障部隊(duì)第989醫(yī)院常祺主任醫(yī)師為共同通訊作者。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22377122、U22A20183）和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20230204107YY、20210509036RQ）的資助。


  論文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310365

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