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对大脑神经回路的新兴研究试图揭示人类行为和思想的起源。通过神经调节科学，这些研究还支持脑部疾病和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病和精神疾病）的诊断和治疗。大脑神经回路研究引发了对未来脑机接口的探索，该接口可以通过捕获神经元活动在大脑和外部设备之间产生直接通信。光遗传学是利用外部光信号调节大脑神经回路并触发相应生理行为的主要神经调节之一。了解外部触发因素如何刺激大脑神经回路并建立大脑神经信号与生理行为之间的相关性是很有趣的。因此，在外部光刺激期间记录大脑的神经信号至关重要。
这些探头的记录性能在很大程度上取决于相应材料的固有特性，尤其是机械模量、电导率和透明度。虽然脑神经信号和光遗传学神经调节为解码脑神经信息和神经退行性疾病治疗开辟了前沿。然而，传统的植入式探头存在与生物组织的模量不匹配以及透明度和电子电导率之间不可调和的权衡。 来自中国科学院长春应用化学研究所的学者提出了一种策略来解决这些权衡，其以聚吡咯修饰的微凝胶作为交联剂生成导电和透明的水凝胶。电极的光学透明度可归因于允许光波绕过微凝胶颗粒并最大限度地减少其相互作用的特殊结构。通过探测大鼠大脑的海马体，仿生电极显示出同时光遗传学神经调控和记录大脑神经信号的延长能力。更重要的是，实现了有趣的脑机交互，其中包括向大脑输入信号、大脑神经信号生成和控制肢体行为。这项突破性的工作代表了解码大脑神经信息和开发神经退行性疾病疗法的重大科学进步。相关文章以“Electron Conductive and Transparent Hydrogels for Recording Brain
Neural Signals and Neuromodulation”标题发表在Advanced
Materials。 论文链接： https:///10.1002/adma.202211159
图1.水凝胶结构及其作为可穿戴和植入式传感器的应用示意图。
图2.a） PM-X和HPM-Y的合成。b-d） PM-0 （b）、PM-10 （c） 和 PM-50 （d）
的 TEM 图像。e）HPM-1的冷冻SEM图像。
图3.A)HPM-Y的拉伸应力-应变曲线。B)HPM-Y的压应力-应变曲线和计算的耗能。C)20%和50%应变下HPM-1连续200次压缩循环。D)HPM-1与其他水凝胶传感器在弹性模数和断裂伸长率方面的比较。E)HPM-1的机械性能演示。F)HPM-1电极在不同扫描速度(10-500 mV s-1)下的循环伏安曲线。G)HPM-Ys的电阻随应变变化。H)HPM-1传感器与其他已报道的水凝胶应变传感器在最大应变和GF方面的比较。I)志愿者讲话时的实时阻力信号。J)志愿者的肌电信号。K)使用HPM-1电极对皮肤进行心电测试。L)使用HPM-1电极记录的心电脉搏的频谱图
图4.a）RSC96细胞在1mg mL−1浸出溶液中24小时的活力。b）分别植入4周后对照和HPM-1样品的H&E组织学结果。c）脑切片的共聚焦显微镜图像：小胶质细胞（绿色）和星形胶质细胞（红色）。d）
距离这些电极 0-100、100-200 和 200-300 μm 深度范围内的 300 × 300 μm 平方区域内小胶质细胞和星形胶质细胞的统计数量。e） 这些共聚焦图像中细胞计数区域的平均荧光强度。
图5.a)自由活动大鼠检测装置示意图。b)植入HPM-1电极的大鼠照片。c)植入大鼠脑内的HPM-1电极的显微镜图像(DAPI被用作核荧光染色)。d)用HPM-1电极记录大鼠海马CA1区LFP。e)铂、HPM-1和HPM-0电极记录的LFP。f)由铂、HPM-1和HPM-0电极在睡眠状态下记录的LFP。
图6.a)厚度为1 mm的HPM-1和H-PPy的UV-Vis透过率曲线和照片。b)AAV(红色)在4周后在海马区的表达(比例尺：500微米)。c)光遗传调制和记录LFP的装置原理图。d)HPM-1光电极照片。e)铂光电极(左)和HPM-1光电极(右)的光电伪迹实验。f)光遗传诱发的LFP和相应的谱图。g)由不同的光功率调节的光遗传诱发的LFP。h)HPM-1连续8周记录的光遗传诱发LFP。
图7.a） 用于记录体内神经元尖峰的装置。b）HPM-1在体内记录的大鼠的尖峰及其重叠波形。c）单个神经元响应蓝光脉冲的神经尖峰。d）用于光遗传学调节和记录自由移动大鼠右侧初级运动皮层区域中神经信号的装置示意图。e） 转染 4 周后右侧初级运动皮层区域AAV（红色）的表达。f） 动物行为的光遗传学调节和电生理信号采集示意图。g） 大脑神经信号与蓝光脉冲调制的行为之间的相关性 （20 Hz）. 本研究提出了一种策略来解决大多数电子导电水凝胶在电导率和透明度之间的权衡，这是用于神经脑研究的植入式传感器电极的障碍。已经证明，通过将导电成分与微凝胶表面混淆，颗粒 - 光波相互作用最小化，从而提高电极材料的透明度，同时保持出色的电子导电性。 通过以微凝胶作为水凝胶网络中大型交联中心的特殊超分子结构，生物组织和植入电极之间的电导率和失配模量之间的另一个重大权衡也得到了解决。水凝胶表现出与脑神经组织匹配的模量、出色的拉伸性和显着的抗疲劳性。这些独特的仿生化学力学性能减少了电极微运动，最大限度地减少了不利的生物反应，并通过生物杂化界面改善了信号传输，这使得水凝胶在植入式感官应用中非常可行。HPM-1电极通过将其植入大鼠的海马CA1区域，成功用于原位记录LFP，信号稳定，信号衰减可忽略不计8周。HPM-1电极与传统的铂和其他水凝胶电极相比具有压倒性的优势，迄今为止已有文献报道。 更重要的是，HPM-1电极成功地用于光遗传学神经调控，并同时记录大脑的神经信号8周。这是第一次报告初级运动皮层区域的大脑神经信号与光刺激操纵的相应肢体行为之间的相关性。成功的应用得益于水凝胶的内在特性，包括高透明度和出色的导电性。这项研究显示了植入式探针设计概念的重大进展，并实质性地跨越了研究进展，朝着解码大脑神经信息和理解通过生物混合接口传输信号的长期目标迈进，从而为新兴的人机交互研究开辟了新的机遇。（文：SSC） |
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