國家納米中心在大腦神經調控與讀取技術方面取得進展

　　近日，中國科學院國家納米科學中心研究員方英團隊在高精度神經調控與讀取技術方面取得新進展，相關論文以Self-assembled multifunctional neural probes for precise integration of optogenetics and electrophysiology為題發表在Nature Communications上。

　　腦科學的核心目標是解析神經電活動如何控制大腦的功能以及腦疾病的神經機制。要實現這些目標，需要精準調控與讀取特定神經環路的電活動信息。其中光遺傳與多通道電生理記錄聯用技術，可以實現對神經元電活動的高時間分辨率調控與讀取，在神經功能環路解析和腦疾病機制研究中均具有重要意義。然而在傳統方法中，由于光刺激范圍與電極記錄范圍在空間上存在一到兩個數量級的差別，導致神經元電活動功能歸屬模糊，給神經環路的高精度解析帶來了困難和挑戰。

　　該研究團隊長期致力于發展大腦神經信息分析新技術及其在腦功能解析和腦機接口領域中的應用。前期，團隊利用微納加工技術和生物相容性納米材料，發展了一系列新型柔性神經電極技術，包括可注射式柔性神經電極（Nature Nanotechnology, 2015, 10, 629）、基于石墨烯和碳納米管的柔性全碳神經電極（Nano Letters, 2017, 17, 71），以及高密度柔性神經流蘇電極（Science Advances, 2019, 5, eaav2842）等，為長期穩定讀取大腦神經電活動提供了重要工具。

　　在前期研究基礎上，研究人員近期構建了一種多功能柔性神經電極技術，同步實現了大腦中基因載體的精準遞送、長期光遺傳學調控和神經電生理記錄。利用彈性毛細自組裝原理，研究人員將高通量柔性神經電極和光導元件在含有光遺傳基因載體的聚合物液體中進行自組裝，得到了體積只有納升級別的多功能柔性神經電極。研究發現，多功能柔性神經電極能夠實現基因載體在電極-神經界面的高效遞送和表達。基于此，研究人員利用多功能柔性神經電極將光遺傳蛋白精準表達在電極-神經界面100微米范圍內，從而確保了光遺傳調控神經元集群和電生理記錄神經元集群的高度空間一致性。進一步利用柔性神經電極良好的生物相容性，實現了對大腦神經元電活動長達三個月以上的穩定讀取與調控。

　　研究成果在神經環路的精準解析和腦機接口等領域具有重要的應用前景。該項研究得到中科院戰略性先導科技專項（B類）“腦認知與類腦前沿研究”、國家自然科學基金重大項目“帕金森綜合癥的神經分析化學基礎研究”和國家自然科學基金國際（地區）合作交流項目“超薄柔性神經電極用于古老腦的編碼機制研究”的支持。

圖1 （a）多功能柔性神經電極的自組裝示意圖（b）大腦中基因載體的精準遞送

圖2 （a）柔性神經電極（b）多功能柔性神經電極（c）電極-神經界面的精準基因遞送和表達（d）大腦中同步神經讀取與調控（e）精準神經讀取與調控示意圖