長(zhǎng)春應(yīng)化所張強(qiáng)研究員課題組與合作者 Adv. Mater.：基于支鏈淀粉水凝膠神經(jīng)探針的腦機(jī)接口技術(shù)
腦機(jī)接口（BMI）是連接人腦與外部設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，可用于采集大腦數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)神經(jīng)回路，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、娛樂(lè)和通信領(lǐng)域。尤其是借助光遺傳學(xué)這種神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，BMI能夠幫助治療難治性腦疾病。高效的神經(jīng)探針是腦機(jī)接口的核心工具。然而，傳統(tǒng)金屬探針由于與腦組織模量不匹配，長(zhǎng)期使用會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)，影響穩(wěn)定性。作為理想替代方案，水凝膠因其與腦組織相似的物理和化學(xué)特性，逐漸受到關(guān)注。然而，水凝膠本質(zhì)是不導(dǎo)電的，添加導(dǎo)電納米填料又會(huì)影響其透光率，進(jìn)而影響其神經(jīng)調(diào)節(jié)的效率，如何在透明度和導(dǎo)電性之間找到平衡，是設(shè)計(jì)高效水凝膠神經(jīng)探針的重大挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第989醫(yī)院常祺團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)了一種支鏈淀粉基水凝膠神經(jīng)探針，實(shí)現(xiàn)了性能與功能的全面突破（圖1）。支鏈淀粉誘導(dǎo)了PEDOT鏈的重排，減少了PEDOT鏈的積累，提高了透光率和電導(dǎo)率？蒲腥藛T利用該水凝膠作為神經(jīng)探針實(shí)現(xiàn)了連續(xù)8周對(duì)腦神經(jīng)信息的監(jiān)測(cè)，同時(shí)借助光遺傳學(xué)技術(shù)，該水凝膠探針可原位實(shí)現(xiàn)腦神經(jīng)信號(hào)的記錄和神經(jīng)回路的精準(zhǔn)調(diào)控。這一技術(shù)在中風(fēng)大鼠模型上的實(shí)驗(yàn)中取得顯著療效。通過(guò)對(duì)受損腦區(qū)的同側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行藍(lán)光調(diào)控，成功激發(fā)了受損神經(jīng)元的放電活動(dòng)，重建了突觸連接，恢復(fù)了腦神經(jīng)回路，顯著減小了腦組織的梗死面積，并有效促進(jìn)了大鼠的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。相關(guān)研究成果以題為 “Amylopectin-based Hydrogel Probes for Brain-machine Interfaces” 發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上。
圖1.水凝膠的結(jié)構(gòu)、特性及其作為可植入式探針的應(yīng)用示意圖
支鏈淀粉：小分子蘊(yùn)含大能量
該項(xiàng)研究對(duì)水凝膠的模量、粘附性、電導(dǎo)率和透光率等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了全面的分析（圖2）。其具備與腦組織匹配的低模量（43 kPa），避免了組織損傷和免疫反應(yīng)。由于支鏈淀粉誘導(dǎo)PEDOT鏈重排，減少鏈堆積，提高了水凝膠的電導(dǎo)率（11.93 S/m）和透光率（70.4%）。與文獻(xiàn)報(bào)道的其他水凝膠相比，該水凝膠在電導(dǎo)率、模量和透光率之間達(dá)到了平衡。此外，該水凝膠還具備較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)100次拉伸循環(huán)后，水凝膠的抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)性能保持不變，且電化學(xué)測(cè)試顯示無(wú)明顯氧化還原反應(yīng)。
圖2. 支鏈淀粉基水凝膠良好的基礎(chǔ)性能
該水凝膠具備良好的生物相容性。通過(guò)細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)和免疫熒光實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，水凝膠對(duì)細(xì)胞和組織無(wú)毒害，與腦組織形成了良好的接觸界面。與傳統(tǒng)探針相比，植入腦內(nèi)的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量更少，顯著降低了異物反應(yīng)，這有利于其作為神經(jīng)探針的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（圖3）。
圖3. 支鏈淀粉基水凝膠良好的生物相容性
探針應(yīng)用：從神經(jīng)信號(hào)采集到疾病治療
該水凝膠作為神經(jīng)探針可用于腦神經(jīng)信號(hào)記錄（圖4）。其可連續(xù)8周監(jiān)測(cè)大鼠海馬區(qū)局部場(chǎng)電位信號(hào)，信號(hào)衰減程度低于PT探針和傳統(tǒng)水凝膠探針。除記錄大鼠清醒和睡眠狀態(tài)下的自發(fā)局部場(chǎng)電位外，水凝膠探針還可記錄外界刺激（如尾部夾持、胡須波動(dòng)）引發(fā)的誘發(fā)局部場(chǎng)電位。同時(shí)，其作為微探針成功記錄了大鼠單個(gè)神經(jīng)元信號(hào)，信噪比達(dá)4.02。
圖4. 支鏈淀粉基水凝膠用于神經(jīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)
水凝膠探針具備導(dǎo)電和透光特性，可進(jìn)行原位光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控和電生理記錄。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入藍(lán)光的頻率和功率，水凝膠光電極記錄到對(duì)應(yīng)變化的局部場(chǎng)電位信號(hào)，且無(wú)光電偽影干擾。同時(shí)，由于該水凝膠光電極較好的生物相容性，其可對(duì)正常大鼠進(jìn)行為期4周的光遺傳學(xué)調(diào)控，這擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍（圖5）。
圖5. 支鏈淀粉基水凝膠用于原位神經(jīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與光遺傳調(diào)控
基于水凝膠探針原位進(jìn)行光遺傳學(xué)的能力，其可用于治療中風(fēng)模型大鼠。通過(guò)對(duì)中風(fēng)模型大鼠的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控，顯著增強(qiáng)了神經(jīng)保護(hù)蛋白的分泌，刺激神經(jīng)元分化，重新連接腦神經(jīng)回路，減少梗死區(qū)面積（從36%降至8%）。調(diào)控后大鼠在平衡木實(shí)驗(yàn)和圓筒實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)明顯優(yōu)于自恢復(fù)組，運(yùn)動(dòng)功能和體重恢復(fù)顯著加快（圖6）。
圖6. 支鏈淀粉基水凝膠用于中風(fēng)模型大鼠治療
該研究開(kāi)發(fā)的支鏈淀粉基水凝膠探針，實(shí)現(xiàn)了模量、電導(dǎo)率和透明度的高度平衡，同時(shí)具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性和優(yōu)異的生物相容性。它不僅能夠高效記錄大腦神經(jīng)信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)回路精準(zhǔn)調(diào)控，特別是在中風(fēng)治療中展現(xiàn)出巨大潛力。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望成為腦疾病監(jiān)測(cè)和治療的利器，推動(dòng)腦機(jī)接口領(lǐng)域邁向新臺(tái)階。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202416926
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