神经流苏实现对大脑信息的稳定读取

发布时间:2019-04-01

  解析大脑功能是人类认识自然与自身的终极目标。大脑通过神经元细胞的电活动进行信息的传递、转换和整合,进而完成各种功能,包括感知觉、学习、记忆、抉择和运动控制等。而微观水平上神经元电活动的异常,与抑郁症、帕金森病、精神分裂症及阿尔兹海默症等一系列神经系统疾病密切关联。要理解大脑的工作机制以及脑疾病的致病机理,必须精确掌握神经元的电活动信息,因此依赖于活体神经信息分析技术的发展。然而,传统的刚性硅基或金属微电极在手术植入柔软的脑组织后,由于尺寸和力学性能的巨大差异,使得电极与脑组织之间发生相对微移动并引起炎症反应,导致刚性微电极难以对神经电信号进行长期稳定读取。 

  近日,中科院脑科学与智能技术澳门金莎娱乐手机版、国家纳米科学中心方英研究员和澳门金莎222868李澄宇研究员及其团队在高密度柔性神经流苏及活体神经信号稳定测量方面取得重要进展。相关论文“Elastocapillary self-assembled neurotassels for stable neural activity recordings”(《自组装柔性神经流苏对神经电活动的稳定测量》)发表在Science Advances20195, eaav2842。论文第一作者是国家纳米科学中心的博士研究生管寿梁、助理研究员王晋芬和金莎的博士研究生顾晓炜,通讯作者是方英研究员和李澄宇研究员。 

  

 

  该工作报道的神经流苏由上千根超细的柔性神经纤维电极组成。每一个柔性神经纤维电极的截面只有3*1.5 μm2,达到了神经元轴突的尺寸,比目前国际上报道的最小值还要小一个数量级。通过巧妙设计,将神经流苏浸没在熔融的聚乙二醇液体中,在液体表面张力的作用下,上千根柔性神经纤维电极自组装形成高密度神经电极/聚乙二醇复合细丝,从而极大地降低了手术植入过程中电极对脑组织的损伤。聚乙二醇可在脑组织内降解代谢,释放后的超细柔性神经纤维电极能够原位、精准测量清醒大脑内侧前额叶皮层中多个神经元的电活动。尤其重要的是,柔性神经流苏与脑组织的力学性能相匹配,因此形成了良好相容性的界面,从而实现了对活体大脑神经元电活动的长期稳定记录。 

  

 

  (a)柔性神经流苏的自组装过程;(b)组装后的柔性神经流苏;(c)柔性神经流苏电极截面图;(d)柔性神经流苏对活体神经信号的长期稳定记录;(e)柔性神经流苏与脑组织的相容性界面。 

  在小鼠学习嗅觉工作记忆任务中,神经流苏相比传统微丝电极能够更稳定地记录到同一批神经元。这使得我们能得到更多有关小鼠在学习成绩上升过程中神经元发放特性变化的细节。帮助我们更容易发现动物在获得认知功能的过程中相关的神经机制。 

  

 

  (a) 小鼠嗅觉工作记忆任务的示意图 (b) 小鼠对于该嗅觉工作记忆任务的学习曲线 (c) 神经流苏对于同一个神经元稳定的跨天记录 (d) 两个神经元跨天变化发放特性的热图。 每一行表示对应该天的神经元电活动(利用基线进行归一化)。 

  柔性神经流苏技术在电极尺寸、集成密度和生物相容性方面均处于国际领先水平,将为我国脑科学和脑疾病研究提供新方法,并在脑机接口和神经修复等领域具有重要的应用前景。 

该项研究得到国家自然科学基金重大项目“帕金森综合症的神经分析化学基础研究”、中科院先导B项目“脑认知与类脑前沿研究”、和上海市市级科技重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”的支持。
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