“八爪鱼”——用于多脑区光电刺激和生理检测的多通道植入式柔性电子器件

脑是思维的器官,主导生命体内运动,感觉,语言,情绪等各种生理活动,并调节机体与周围环境的平衡。在多个脑区同时进行神经元刺激和生理传感可得到丰富的神经信号,可以帮助我们对神经通路的运转和神经递质的传输等神经系统机理有更深刻的理解。目前已研制出多种用于神经信号检测的器件,如基于硅基底的微针阵列,高密度金属微丝电极等。这些器件的机械属性与柔软弯曲的脑组织不相容,无法实现和脑组织的长期有效的紧密接触,无法保证生物安全性和信号的稳定性。因此,小型化,多功能集成化并且能实现多位点刺激和记录功能的柔性电子器件是脑科学研究的重要发展方向。

鉴于此,天津大学生物医学柔性电子实验室黄显教授受海洋中章鱼、乌贼等头足纲软体动物的启发,结合柔性电子技术的研究背景,提出了一种新型的用于多脑区光电刺激与生理检测的多通道植入式柔性电子器件。该器件具有一个中央控制电路以及向四周伸展的具备多种传感器的“触手”。

这些“触手”可分别植入于不同脑区,实现不同波段的光刺激及神经信号记录(图1a)。每个“触手”都集成了用于光遗传刺激的微型蓝光LED,用于电刺激和电生理记录的微电极阵列,以及用于胞外离子浓度监测的离子传感器(图1b-d),其功能和时序由中心电路控制。电路和器件由锂离子电池供电(图1e),可固定于自由活动大鼠的头上,从而实现无线式的光刺激和信号记录,同时不会影响大鼠的正常活动(图1f-g)。

天津大学黄显团队《AFM》:“八爪鱼”——用于多脑区光电刺激和生理检测的多通道植入式柔性电子器件
图1. 多通道柔性植入式电子器件的工作示意图及器件结构图

 

研究团队对该器件的机械、电学、光学和热学等各方面性能进行了表征测试,并将该器件植入于活体大鼠的四个脑区中(图2a)。该器件能在四个不同脑区中同时记录神经元的局部场电位和动作电位等电生理信号,信噪比可达8.1(图2b-d)。通过向脑区神经元植入光敏蛋白,该脑区的神经活动可受特定波长的光的调控,研究团队通过集成的微型蓝光LED和钙离子传感器实现了在光遗传刺激下神经元微环境中钙离子浓度的原位测试(图2e-f),为光遗传神经调控提供了多脑区并行调控和神经通路测量的新的手段。

天津大学黄显团队《AFM》:“八爪鱼”——用于多脑区光电刺激和生理检测的多通道植入式柔性电子器件
图2. 活体大鼠电生理记录与钙离子浓度监测

 

研究团队将该器件植入于一条神经通路的两个脑区中(图3a),利用该器件功能模块化的特点,通过光遗传调控实现了对沿神经通路传递的电生理信号的检测(图3b-d),为神经网络的研究提供了新的工具。最后,研究团队通过大鼠的行为学实验展示了该器件对自由活动大鼠神经活动和机体行为的无线调控的能力(图3f-g)。

天津大学黄显团队《AFM》:“八爪鱼”——用于多脑区光电刺激和生理检测的多通道植入式柔性电子器件
图3.活体大鼠的神经通路检测和行为学实验

 

该团队提出的柔性电子器件具有向四周延展的电子“触手”,可以实现具有可编程工作序列的多脑区中的光电刺激,生物电生理记录和离子监测等功能,可以作为一个全面的,模块化的平台来实现复杂的神经刺激和生物生理监测,从而有利于神经系统疾病,神经调控和大脑机制的研究。

相关工作已于6月17日线上发表于工程科学领域顶级期刊Advanced Functional Materials。本文的第一作者为天津大学精仪学院博士研究生凌伟,通讯作者为黄显教授。上述工作得到了国家自然科学基金(No.61604108),天津市自然科学基金(No.16JCYBJC40600)和天津大学自主创新基金的支持。

 

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