腦是思維的器官，主導生命體內運動，感覺，語言，情緒等各種生理活動，并調節(jié)機體與周圍環(huán)境的平衡。在多個腦區(qū)同時進行神經元刺激和生理傳感可得到豐富的神經信號，可以幫助我們對神經通路的運轉和神經遞質的傳輸?shù)壬窠浵到y(tǒng)機理有更深刻的理解。目前已研制出多種用于神經信號檢測的器件，如基于硅基底的微針陣列，高密度金屬微絲電極等。這些器件的機械屬性與柔軟彎曲的腦組織不相容，無法實現(xiàn)和腦組織的長期有效的緊密接觸，無法保證生物安全性和信號的穩(wěn)定性。因此，小型化，多功能集成化并且能實現(xiàn)多位點刺激和記錄功能的柔性電子器件是腦科學研究的重要發(fā)展方向。
鑒于此，天津大學生物醫(yī)學柔性電子實驗室黃顯教授受海洋中章魚、烏賊等頭足綱軟體動物的啟發(fā)，結合柔性電子技術的研究背景，提出了一種新型的用于多腦區(qū)光電刺激與生理檢測的多通道植入式柔性電子器件。該器件具有一個中央控制電路以及向四周伸展的具備多種傳感器的“觸手”。
這些“觸手”可分別植入于不同腦區(qū)，實現(xiàn)不同波段的光刺激及神經信號記錄(圖1a)。每個“觸手”都集成了用于光遺傳刺激的微型藍光LED，用于電刺激和電生理記錄的微電極陣列，以及用于胞外離子濃度監(jiān)測的離子傳感器(圖1b-d)，其功能和時序由中心電路控制。電路和器件由鋰離子電池供電(圖1e)，可固定于自由活動大鼠的頭上，從而實現(xiàn)無線式的光刺激和信號記錄，同時不會影響大鼠的正?；顒?圖1f-g)。
研究團隊對該器件的機械、電學、光學和熱學等各方面性能進行了表征測試,并將該器件植入于活體大鼠的四個腦區(qū)中(圖2a)。該器件能在四個不同腦區(qū)中同時記錄神經元的局部場電位和動作電位等電生理信號，信噪比可達8.1(圖2b-d)。通過向腦區(qū)神經元植入光敏蛋白，該腦區(qū)的神經活動可受特定波長的光的調控，研究團隊通過集成的微型藍光LED和鈣離子傳感器實現(xiàn)了在光遺傳刺激下神經元微環(huán)境中鈣離子濃度的原位測試(圖2e-f)，為光遺傳神經調控提供了多腦區(qū)并行調控和神經通路測量的新的手段。
研究團隊將該器件植入于一條神經通路的兩個腦區(qū)中(圖3a)，利用該器件功能模塊化的特點，通過光遺傳調控實現(xiàn)了對沿神經通路傳遞的電生理信號的檢測(圖3b-d)，為神經網(wǎng)絡的研究提供了新的工具。最后，研究團隊通過大鼠的行為學實驗展示了該器件對自由活動大鼠神經活動和機體行為的無線調控的能力(圖3f-g)。
該團隊提出的柔性電子器件具有向四周延展的電子“觸手”，可以實現(xiàn)具有可編程工作序列的多腦區(qū)中的光電刺激，生物電生理記錄和離子監(jiān)測等功能，可以作為一個全面的，模塊化的平臺來實現(xiàn)復雜的神經刺激和生物生理監(jiān)測，從而有利于神經系統(tǒng)疾病，神經調控和大腦機制的研究。
相關工作已于6月17日線上發(fā)表于工程科學領域頂級期刊Advanced Functional Materials。本文的第一作者為天津大學精儀學院博士研究生凌偉，通訊作者為黃顯教授。上述工作得到了國家自然科學基金(No.61604108)，天津市自然科學基金(No.16JCYBJC40600)和天津大學自主創(chuàng)新基金的支持。
