客户文章-方英研究员揭示高精度光遗传调控与神经记录新技术

神经科学的一个核心目标是了解大脑功能是如何由各种类型的细胞组成的神经回路的活动产生的。而实现这一目标，需要精准调控与读取特定神经环路的电活动信息。以评估它们在神经回路功能中的作用。基因和光学技术的最新进展使这成为可能。特别是，光遗传学允许细胞在很高的时间精度下特异性激活或抑制神经活动。

近日，国家纳米科学中心方英研究员及其团队在高精度神经调控与读取技术取得新进展,相关论文“Self-assembled multifunctional neural probes for precise integration of optogenetics and electrophysiology”（《自组装多功能神经电极用于高精度光遗传调控与神经记录》）发表在Nature Communications, 2021, 12, 5871。

光遗传学结合电记录已经成为研究神经环路活动和功能之间因果关系的有力工具。然而在传统方法中，由于光刺激范围与电极记录范围在空间上存在一到两个数量级的差别，导致神经元电活动功能归属模糊，给神经环路的高精度解析带来了困难和挑战。本文使用了一种用于脑内光遗传学和电生理学精确集成的病毒载体传递光极(VVD-optrode)系统，从而实现对神经回路功能的精确和长期研究。

在本研究中，作者描述了一个多功能系统，用于大脑中神经元群的长期光遗传刺激和多通道电记录。每个系统都由一系列灵活的微电极细丝（MEF）和光纤组成，它们通过弹性毛细管相互作用驱动的高效自组装过程，被嵌入到纳米级的病毒载体递送聚乙二醇(PEG)载体中。在小鼠大脑中植入后，PEG载体的溶解允许在距离柔性微电极100μm的范围内实现高度定位的病毒传递和视蛋白基因的神经元表达，从而确保光遗传操纵和记录神经元种群之间的高度空间一致性。与传统方法相比，多功能探针能够对电记录的神经元群体进行光遗传抑制，其精确度得到大大提高(91%:24%)。

图1:eNpHR3.0表达神经元的光抑制过程中的电记录

多功能柔性神经电极技术能够同步实现大脑中基因载体的精准递送、光遗传调控和长期神经电生理记录，因此在神经环路的精准解析和脑机接口等领域具有重要的应用前景。通过将 MEF阵列与片上放大和多路电路集成，可以进一步扩大其能力。这可以减少连接导线的数量，并允许大量神经元同时进行记录。

图2:自组装多功能VVD光极

此外，微尺度发光二极管(μLED)器件可以以最小的侵入性提供精确的光遗传刺激。将这些光电器件整合到系统中，可以进一步实现神经元活动的多位点光遗传刺激。值得注意的是，各种生物分子和治疗制剂可以嵌入到纳米尺度PEG载体中，从而实现空间受限的药物/基因传递和微电极-组织界面上的细胞功能调节。同时此方法也可应用于其他柔性电极，包括商用的大多数实验室的碳纤维微电极。这些进展将为基础神经科学和转化神经科学的高精度神经电路分析和工程的多功能平台铺平道路。

该论文第一作者是国家纳米科学中心的博士研究生邹亮和助理研究员田慧慧，通讯作者是方英研究员。该项研究得到中科院战略性先导科技专项（B类）“脑认知与类脑前沿研究”、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”和国家自然科学基金国际（地区）合作交流项目“超薄柔性神经电极用于古老脑的编码机制研究”的支持。

产品介绍：

在本研究中，研究者使用的473nm和589nm光遗传刺激器由纽顿科技研发制造。该系列产品可以实现多种实验动物自由活动情况下的精确刺激，对不同脑区间的神经活动进行研究。

企业简介：

作为全球顶尖的生命科学产品及解决方案的研发和生产商，纽顿科技 (NEWDOON INC)从实验室走出，又回到实验室，产研结合，始终以领先的技术和创新能力为核心，开发实验室尖端仪器。从最早期的有线光遗传学系统起步，逐步研发出了无线光遗传系统，光纤记录系统，不仅填补了国内外多项技术空白，也成为全球同行业中领军的企业。纽顿科技以脑科学研究为核心发展方向，通过与高校合作，带给科研人员全新的实验体验，实验效率大大提高。