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國家納米中心在大腦神經(jīng)調(diào)控與讀取技術方面取得進展
來源:
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作者:雋思半導體設備部
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發(fā)布時間: 2021-11-22
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近日，中國科學院國家納米科學中心研究員方英團隊在高精度神經(jīng)調(diào)控與讀取技術方面取得新進展，相關論文以Self-assembled multifunctional neural probes for precise integration of optogenetics ａnd electrophysiology為題發(fā)表在Nature Communications上。
??腦科學的核心目標是解析神經(jīng)電活動如何控制大腦的功能以及腦疾病的神經(jīng)機制。要實現(xiàn)這些目標，需要精準調(diào)控與讀取特定神經(jīng)環(huán)路的電活動信息。其中光遺傳與多通道電生理記錄聯(lián)用技術，可以實現(xiàn)對神經(jīng)元電活動的高時間分辨率調(diào)控與讀取，在神經(jīng)功能環(huán)路解析和腦疾病機制研究中均具有重要意義。然而在傳統(tǒng)方法中，由于光刺激范圍與電極記錄范圍在空間上存在一到兩個數(shù)量級的差別，導致神經(jīng)元電活動功能歸屬模糊，給神經(jīng)環(huán)路的高精度解析帶來了困難和挑戰(zhàn)。
??該研究團隊長期致力于發(fā)展大腦神經(jīng)信息分析新技術及其在腦功能解析和腦機接口領域中的應用。前期，團隊利用微納加工技術和生物相容性納米材料，發(fā)展了一系列新型柔性神經(jīng)電極技術，包括可注射式柔性神經(jīng)電極（Nature Nanotechnology, 2015, 10, 629）、基于石墨烯和碳納米管的柔性全碳神經(jīng)電極（Nano Letters, 2017, 17, 71），以及高密度柔性神經(jīng)流蘇電極（Science Advances, 2019, 5, eaav2842）等，為長期穩(wěn)定讀取大腦神經(jīng)電活動提供了重要工具。
??在前期研究基礎上，研究人員近期構建了一種多功能柔性神經(jīng)電極技術，同步實現(xiàn)了大腦中基因載體的精準遞送、長期光遺傳學調(diào)控和神經(jīng)電生理記錄。利用彈性毛細自組裝原理，研究人員將高通量柔性神經(jīng)電極和光導元件在含有光遺傳基因載體的聚合物液體中進行自組裝，得到了體積只有納升級別的多功能柔性神經(jīng)電極。研究發(fā)現(xiàn)，多功能柔性神經(jīng)電極能夠?qū)崿F(xiàn)基因載體在電極-神經(jīng)界面的高效遞送和表達。基于此，研究人員利用多功能柔性神經(jīng)電極將光遺傳蛋白精準表達在電極-神經(jīng)界面100微米范圍內(nèi)，從而確保了光遺傳調(diào)控神經(jīng)元集群和電生理記錄神經(jīng)元集群的高度空間一致性。進一步利用柔性神經(jīng)電極良好的生物相容性，實現(xiàn)了對大腦神經(jīng)元電活動長達三個月以上的穩(wěn)定讀取與調(diào)控。
??研究成果在神經(jīng)環(huán)路的精準解析和腦機接口等領域具有重要的應用前景。該項研究得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）“腦認知與類腦前沿研究”、國家自然科學基金重大項目“帕金森綜合癥的神經(jīng)分析化學基礎研究”和國家自然科學基金國際（地區(qū)）合作交流項目“超薄柔性神經(jīng)電極用于古老腦的編碼機制研究”的支持。
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