浅析水凝胶基植入式脑神经电极用于脑神经信号监测及光遗传调制
监测大脑神经信号和光遗传神经调制对于解码大脑神经信息和神经衰退性疾病的治疗具有重要意义。传统脑机接口中的神经探针存在与生物组织的模量不匹配以及透明度和导电性之间的矛盾。因此，与生物组织化学和机械性能匹配，并且具有良好导电性和透光性的传感电极是脑机接口领域的重要需求。然而，实现长期、稳定的脑神经信号监测和神经调制仍然极富挑战。
监测脑神经信号和神经调节可以分析和理解大脑功能，实现神经衰退性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病等）的诊断与治疗。脑机接口可以通过捕捉神经元活动和外部刺激建立大脑与外部设备之间的直接通信。脑机接口的信号采集和神经调制功能需要借助神经电极来实现，而这些电极的性能在很大程度上取决于相应材料的固有特性，如弹性模量、电导率和透明度等。尽管科学家在脑机接口的研发的开发中已经取得了一些成就，但用于制造可植入电极的材料面临着一些挑战，例如化学和机械性能的不匹配以及导电性和透光性之间的矛盾。
由于固有的高电导率和电化学稳定性，传统的可植入电极主要使用无机材料制造。然而，无机电极的弹性模量远高于人体组织的弹性模量。当将刚性电极植入大脑以监测神经信号时，随着时间的推移，该电极将被神经胶质细胞覆盖，这将削弱大脑神经信号，阻止电子传递。
刚性材料和生物组织之间的机械性能不匹配将导致长期植入期间的微动，导致神经组织损伤和伴随的异物反应。此外，金属电极在光照下会产生光电伪影，这增加了光遗传学实验中的信号噪声并可能导致错误结果。为解决传统电极的问题，该工作使用聚吡咯修饰的微凝胶作为交联中心制备具有低模量、高拉伸性和高导电性的透明水凝胶电极，并验证其在各种场景中作为可穿戴和可植入传感器的传感应用。
图1 水凝胶的结构及其在可穿戴和可植入传感器中的应用示意图
首先，通过n-异丙基丙烯酰胺、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺和丙烯酸的共聚合成微凝胶。通过吡咯的原位聚合，在微凝胶表面形成聚吡咯。微凝胶的羧基可以与吡咯相互作用，促进吡咯单体在聚（n-异丙基丙烯酰胺）链周围的分布，并形成互穿聚合物链结构。
使用过硫酸铵和四甲基乙二胺引发丙烯酰胺和甲基丙烯酸月桂酯在聚吡咯修饰的微凝胶的分散液中自由基聚合，合成导电水凝胶。由于聚吡咯具有高疏水性，与水凝胶网络的相容性较差，这会导致聚吡咯颗粒的聚集并造成水凝胶机械性能的下降。在此，微凝胶被用作聚吡咯的载体，显著提高了聚吡咯的稳定性，使水凝胶中可以容纳更多聚吡咯而不损害水凝胶的机械性能。通过冷冻扫描电子显微镜表征水凝胶的形态，显示了聚吡咯修饰的微凝胶在水凝胶基质中的均匀分布。
图2 水凝胶的合成与结构表征
接着，将水凝胶电极植入麻醉大鼠的海马ca1区。麻醉大鼠的局部场电位（lfp）通常以δ节律（0-2 hz）为主。当大鼠的尾巴被夹住时，lfp以θ节律（2-7 hz）为主。这说明水凝胶电极成功检测到体感刺激诱发电位。当将水凝胶电极植入自由运动大鼠的海马ca1区时，lfp信号在大鼠的清醒和睡眠状态中显示出明显的差异，频谱图显示睡眠状态下θ振荡的功率更大，这是哺乳动物在睡眠期间产生的大量神经元同步活动的结果。在长达8周的信号检测过程中，水凝胶电极与铂电极相比能够获得更稳定的lfp信号。
图3 水凝胶电极在脑信号检测中的应用
此外，使用水凝胶电极作为光传到介质进行神经调制，电极的透光性是一项影响调制效果的重要性能。采用该工作中提出的策略制备的水凝胶电极的透光性远高于聚吡咯简单共混的水凝胶。特殊结构设计使其既具有高导电性又具有高透明度。用472 nm蓝色激光照射铂和水凝胶电极表征光电伪影。
铂电极产生明显的信号干扰，而水凝胶电极几乎没有观察到光电伪影。将水凝胶电极分别植入神经元被腺相关病毒转染的大鼠和未被转染的野生大鼠。蓝光脉冲激光可以在转染的大鼠中产生清晰的lfp信号，并且信号的频率与光脉冲的频率相关。
然而，当蓝光脉冲激光照射未被转染的大鼠时，没有获得lfp信号。这些结果表明，水凝胶电极不会在大鼠大脑中产生光电伪影。因此，所制备的器件可以实现体内光遗传神经调控和神经信号监测的协同功能。然后通过在8周内进行光遗传神经调制并记录lfp信号来研究设备的耐久性。lfp信号在测试期间内的衰减可忽略不计，这证明水凝胶电极在长期使用期间具有良好的光遗传神经调制和信号检测能力。
图4 水凝胶电极在光遗传学中的应用
将水凝胶电极植入经腺相关病毒转染的大鼠右侧初级运动皮层区域，以研究神经调制和行为变化。向初级运动皮层区域施加蓝色脉冲激光。水凝胶电极检测到清晰和规则的神经信号，这些信号的频率与蓝色脉冲激光的频率相匹配，且每当施加蓝光脉冲激光时，大鼠立即抬起左前爪，几秒钟后，整个身体开始向逆时针方向扭转。当光刺激终止时，神经信号消失，大鼠立即停止扭转行为，恢复到初始的平静状态。
图5 水凝胶电极用于动物行为的光遗传学调制
综上所述，张强研究员团队提出了一种通过超分子结构设计解决水凝胶神经电极透明度和电导率之间平衡的策略，使用制备的水凝胶电极能够连续八周记录稳定的脑信号。该水凝胶电极可实现脑神经信号的光遗传调制，并且其产生的光电伪影可忽略不计。最后，水凝胶电极被成功应用于动物行为的光遗传学调制和和脑神经信号的同步监测。这是首次建立初级运动皮层区域的大脑神经信号与受光刺激调制的相应肢体行为之间的相关性。
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