天津大学黄显教授团队《Small》：用于神经系统刺激与监测的植入式柔性多通道光电纤维器件

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光纤作为一种常见的光导器件，已经被广泛应用于通信、物理化学传感等领域，高效地利用它的表面积或许就能实现更多功能的集成，然而它弯曲的表面使得与其他电子元件的集成极具挑战性。在生物医学领域，相比于分离式的光纤与电极系统，利用光纤自身与光纤表面进行刺激与感测，就能够实现植入物尺寸最小、 对组织的损伤最小。

鉴于此，天津大学生物医学柔性电子实验室黄显教授结合柔性电子技术的研究背景，提出了一种新型的用于多脑区光刺激与生理监测的多通道植入式柔性光遗传器件。该器件以柔性光纤作为载体，将不同波长的光传输到特定的脑区，用于对特定神经元进行光调控，与此同时，该设计充分利用了光纤弯曲的表面，在光纤侧壁集成了柔性电极阵列，用于探测神经元的动作电位监测神经元的活动（图1a）。柔性电极阵列与柔性光纤的紧密结合经过了三次转印（图1b），这种利用柔性基底进行转印的技术也可以用于其他柔性电子器件与曲面结构的完美贴合，文章中以柔性三电极电化学传感器与光纤的集成作为例子进行了展示。该器件的功能和时序由无线电路控制，并由锂电池供电，可以固定在自由活动的大鼠头上同时不会影响大鼠的正常活动，器件柔性的特点也使得植入深度可以自由调节（图1c-e）。

图1. 多通道植入式柔性光遗传器件的工作示意图及器件结构图

研究团队对该器件的光学、电学等方面性能进行了体外的表征测试，并将该器件植入麻醉大鼠的四个脑区中（图2a）。该器件的32个通道能够在不同脑区中同时记录局部场电位和动作电位等电生理信号（图2b-d），实验证明可以探测到67μV的微弱自发动作电位（图2c），并且对来自不同细胞的放电进行区分（图2d）。

图2. 活体大鼠的电生理记录

研究团队通过光遗传调控实现了对大鼠神经元的激活，在有蓝色光刺激的时候，转染了ChR2光敏蛋白的神经元以~2Hz或者~1Hz的频率进行放电，幅值在300μV以上，而没有光照时神经元表现为静息状态（图3a-d）。最后，研究团队通过大鼠的行为学实验展示了该器件对自由活动大鼠的行为进行无线调控的能力（图3e-f）。

图3 光刺激下的电生理监测和行为学实验

该团队提出的多通道植入式柔性光遗传器件可以实现多脑区的光刺激与电信号监测等功能，为研究神经回路、大脑机制和神经系统的疾病提供了有力的工具。同时这种柔性电子器件与光纤结合的方式实现了多功能的集成，为生物学、生命科学等领域的高通量刺激与传感的创新提供了灵感。

相关工作已于12月29日线上发表于工程科学领域顶级期刊Small。本文的第一作者为天津大学精仪学院硕士研究生于景娴，通讯作者为黄显教授。上述工作得到了国家自然科学基金(No.61604108)，天津市自然科学基金(No.16JCYBJC40600)和天津大学自主创新基金的支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202005925

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