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脊髓是连接大脑与周围神经的重要中枢。脊髓内脆弱的神经元与脊柱较大的运动幅度，为脊髓界面的开发创造了极大的难度，一直没有能够实现长期稳定、高通量、高带宽信息交互的脊髓界面。因此，研发长期稳定单细胞尺度的脊髓内神经界面是亟待解决的问题。 2023年10月23日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）李雪研究组在《Advanced Science》期刊在线发表了题为“A Hyperflexible Electrode Array for Long-Term Recording and Decoding of Intraspinal Neuronal Activity”的研究论文。该研究使用先进的微纳加工工艺结合无基底多层加工技术，设计并制作了超柔性脊髓界面，将其植入小鼠脊髓前角内进行长达一年的信号记录。该电极能够在不对动物引入行为学影响的前提下稳定提取脊髓内高带宽运动信息。该研究首次研发了超柔性脊髓神经界面，填补了脊髓内高通量长期稳定单细胞记录工具的空白，成功实现了与脊髓内神经元的长期有效交互。
传统的脊髓界面主要分为两类，一是能够募集场电位信号并位于硬脊膜外的电极，二是可以直接进行单细胞动作电位信号记录的脊髓内电极。与硬脊膜外电极相比，脊髓内电极具有更加优异的空间分辨率，从而能够提取到更加精准的运动信号，并实现更加复杂的运动解码与更加精细的运动调控。然而，传统的植入式硬质脊髓电极因其与脊髓神经组织之间存在显著的机械强度不匹配问题，往往会诱发强烈的免疫反应并在脊髓界面形成明显的瘢痕组织，最终在长期稳定的记录与调控方面失能。此外，脊髓存在较大的运动形变，使得电极容易发生脆断和失效。 为克服这些难题，李雪研究组引入微纳加工工艺设计和制造脊髓神经界面，极大地降低了界面厚度，有效解决了界面与脊髓机械强度不匹配的问题，同时使用SU8和聚酰亚胺等多聚物基底材料，显著增加了电极的抗疲劳与抗老化能力（图1 a）。通过长达一年的脊髓前角内运动信号的追踪，验证了超柔性脊髓界面的记录稳定性（图1 b-d），超薄的多聚物材料使超柔性脊髓界面有接近于细胞迁移力的弯曲力，极大地提升了电极的组织兼容性，其三重免疫荧光染色结果显示了界面周围的微不可察的炎症反应与未见密度变化的神经元显位（图1 e）。 为了进一步研究超柔性脊髓界面的记录有效性，团队成员通过该界面提取了小鼠在跑轮运动中的脊髓内单细胞信号，并记录了同步的后肢多关节的运动轨迹（图1 f）。通过比较长短期记忆网络模型对多宽带神经信号的分段解码结果，发现利用脊髓内信号解码出的多关节坐标有较高的准确率（图1 g）。例如基于动作电位信号的解码的脚部运动轨迹R2可以达到0.95（图1 h）。在进一步的神经轨迹分析中发现，单细胞神经信号与各波段LFP信号在PCA降维分析中呈现不同的神经轨迹（图1 i）。  文章结论与讨论 该研究成功填补了脊髓内长期稳定单细胞记录工具的缺口，首次研发出超柔性脊髓神经界面，并证明了其在脊髓前角内的高通量、高带宽、良好的生物兼容性及高鲁棒性的特点。该研究为脊髓内神经环路基础研究提供了有力工具，为脊髓损伤、帕金森、渐冻症等运动障碍相关神经系统疾病的临床治疗干预方法开辟了新的路径。 该研究由博士后研究生樊杰、李肖城与助理研究员王培羽，在李雪研究员的指导下完成，研究组的其他成员积极参与，是研究组成员通力合作的重要成果，并得到了脑智卓越中心赵郑拓研究员的大力协助。该研究获得中国科学院、上海市政府、科技部、基金委的资助。 —— End —— 来源：科学与智能技术卓越创新中心 |
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