深圳先進院慢性植入式光電極陣列研究取得新成果

　　11月4日, 中國科學院深圳先進技術研究院，深圳市神經精神調控重點實驗室王立平研究組在Biomaterials雜志上發表了題為《用于提高光電極/神經界面性能的聚3,4-乙烯二氧噻吩/苯磺酸-聚乙烯醇/丙烯酸網際互穿聚合物復合材料》的研究文章。文章報道了通過微加工技術開發的具有較高空間分辨率的慢性植入式光纖-電極（光電極）陣列，以及適用于此光電極陣列的表面修飾技術。這種光電極陣列可用于自由活動動物，長期穩定地進行在體光遺傳學（Optogenetics）神經調控和電生理記錄，從而為解析特定神經回路調控特定的行為規律提供了重要的研究工具。

　　光遺傳學調控技術是近幾年正在迅速發展的一項整合了光學、基因操作技術、電生理等多學科交叉的生物技術。其主要原理是首先采用基因操作技術將光感基因轉入到神經系統中特定類型的細胞中進行表達特殊的離子通道。這些離子通道在不同波長的光照刺激下會分別對陽離子或者陰離子的通過產生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。Nature Methods雜志將此技術評為"Method of the year 2010"；美國麻省理工學院科技評述（MIT Technology Review）在其總結性文章"The year in biomedicine"中指出：光遺傳學調控技術現已經迅速成為神經科學領域中最熱門的研究方向之一。目前，這一技術正在被全球數百家從事神經科學和神經工程研究的實驗室使用，幫助科學家們深入理解大腦的功能，進而深刻認識神經精神疾病的發病機理，并研發針對疾病的干預和治療新技術。

　　隨著神經環路特征研究的深入，人們迫切需要將光遺傳學調控技術應用在清醒、自由活動的動物模型中，以研究特定神經環路調控對應的電生理以及行為學輸出之間的聯系。這就需要有能夠在動物體內長期植入并且能夠同時實現光調控和多通道電生理記錄的裝置——光電極陣列系統。通過這種光電極陣列系統，能夠實現在高時間－空間分辨率下研究自由活動動物中與行為相關的特定神經環路中神經元的電活動。目前文獻中采用的光電極主要是微電極（或者微電極陣列）與光纖的簡單結合，如光纖和鎢電極、猶他電極或者密歇根電極的耦合。這些光電極目前基本上均停留在急性實驗水平，無法在自由活動動物中進行長期、穩定的光遺傳學調控和電生理記錄。

　　在最新的研究中，王立平研究組魯藝博士等自行設計和制備了植入式多通道光電極陣列，并且采用聚3,4-乙烯二氧噻吩/苯磺酸-聚乙烯醇/丙烯酸網際互穿聚合物復合材料對光電極陣列進行了修飾，顯著降低了電極界面阻抗和提高了光電極界面的生物相容性。這種光電極陣列具有較高的信噪比（SNR）和較低的背景噪音（RMS），并且可以在自由活動的大鼠上穩定地進行光調控和電生理記錄。

　　這項工作的完成，可以幫助人們通過光遺傳學和電生理技術對活體自由活動動物特定神經環路調控，進而研究神經系統神經信息的傳遞、整合規律和特定動物行為輸出規律。同時，還有助于神經精神性疾病（包括癲癇、重度抑郁癥、帕金森氏病、焦慮癥等）神經回路層面上的發生機制和干預機制的深入研究。此外，這項研究中發展的導電聚合物/水凝膠網際互穿聚合物材料還適用于其它植入式神經電極的修飾和藥物緩釋載體等。

　　此研究工作由王立平研究組的魯藝博士、李艷玲博士、潘建青博士等共同完成。此研究成果受到中國科學院“百人計劃”、國家自然科學基金、中國科學院科研裝備研制項目和深圳市重點實驗室等項目的資助。

　　論文鏈接

植入式光電極陣列以及正在進行光調控和電生理記錄的大鼠

　　通過修飾顯著降低了光電極的背景噪音，提高了其信噪比，改善了光電極/神經界面的性能，使得光電極能長期、穩定地在動物體內進行光調控和電生理記錄。