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國(guó)家納米中心在大腦神經(jīng)調(diào)控與讀取技術(shù)方面取得進(jìn)展
來源:
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作者:雋思半導(dǎo)體設(shè)備部
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發(fā)布時(shí)間: 2021-11-22
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近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員方英團(tuán)隊(duì)在高精度神經(jīng)調(diào)控與讀取技術(shù)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)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(xué)的核心目標(biāo)是解析神經(jīng)電活動(dòng)如何控制大腦的功能以及腦疾病的神經(jīng)機(jī)制。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要精準(zhǔn)調(diào)控與讀取特定神經(jīng)環(huán)路的電活動(dòng)信息。其中光遺傳與多通道電生理記錄聯(lián)用技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元電活動(dòng)的高時(shí)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(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)的差別，導(dǎo)致神經(jīng)元電活動(dòng)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(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于發(fā)展大腦神經(jīng)信息分析新技術(shù)及其在腦功能解析和腦機(jī)接口領(lǐng)域中的應(yīng)用。前期，團(tuán)隊(duì)利用微納加工技術(shù)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(shù)，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(zhǎng)期穩(wěn)定讀取大腦神經(jīng)電活動(dòng)提供了重要工具。
??在前期研究基礎(chǔ)上，研究人員近期構(gòu)建了一種多功能柔性神經(jīng)電極技術(shù)，同步實(shí)現(xiàn)了大腦中基因載體的精準(zhǔn)遞送、長(zhǎng)期光遺傳學(xué)調(diào)控和神經(jīng)電生理記錄。利用彈性毛細(xì)自組裝原理，研究人員將高通量柔性神經(jīng)電極和光導(dǎo)元件在含有光遺傳基因載體的聚合物液體中進(jìn)行自組裝，得到了體積只有納升級(jí)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(dá)?；诖耍芯咳藛T利用多功能柔性神經(jīng)電極將光遺傳蛋白精準(zhǔn)表達(dá)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(jìn)一步利用柔性神經(jīng)電極良好的生物相容性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦神經(jīng)元電活動(dòng)長(zhǎng)達(dá)三個(gè)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(zhǔn)解析和腦機(jī)接口等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。該項(xiàng)研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“腦認(rèn)知與類腦前沿研究”、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“帕金森綜合癥的神經(jīng)分析化學(xué)基礎(chǔ)研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際（地區(qū)）合作交流項(xiàng)目“超薄柔性神經(jīng)電極用于古老腦的編碼機(jī)制研究”的支持。
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