《物理化学学报》2020年第12期-神经界面专刊
大脑研究是21世纪最富有挑战的课题，也是当今国际科学前沿的重点研究领域。神经信号获取是脑研究的核心部分，而构建良好的神经界面是获得高质量神经信号的关键。神经界面是神经系统与外部设备进行信息传递的接口，其性能好坏与诸多因素相关，包括神经界面的物理化学特性等。例如，神经界面中存在一些关键的表界面结构，包括神经电极、基底和生物环境介质形成的异质界面等。这些关键界面极大地影响神经界面的性能，包括离子-电子信号转化、应力传递和生物相容性等，因此这些表界面结构的精准构筑和调控至关重要。近年来，随着纳米技术、微纳电子技术和生物技术的进步，神经界面的构筑及调控均取得了一系列重要进展。例如基于纳米材料和导电高分子材料的表面修饰提高了植入器件与大脑神经界面的离子-电子转换效率；柔性电子技术提高了植入器件与大脑神经界面的力学匹配；生物分子修饰提高了植入器件的生物相容性等。此外，随着脑研究中对多模态集成的要求，近年来发展了与光遗传技术、电刺激技术和核磁共振技术兼容的神经界面。对神经界面的研究，不仅对大脑的基础研究具有重要的意义，而且在脑机接口、神经假体、以及神经治疗等领域都具有重要的应用价值。
此专刊旨在展示神经界面的新进展、新动态和新成果。
客座编辑
国家纳米科学中心，北京 100190
研究兴趣：纳米生物传感器，活体神经分析技术，纳米生物界面
北京大学工学院，北京 100871
研究兴趣：神经技术，生物电子学，神经电学界面
COVERSTORY
The cover image shows the application of a self-spreadable octopus-like electrode (octrode) array for long-term in vivo electrophysiological recordings. In article No. 1909035, Wang et al. demonstrated that the spreading of the recording channels of the octrode array alleviated the inflammatory response at the electrode/neural interface and increased the signal quality during long-term recording in freely moving animals.
CONTENTS
专 访 | SPOTLIGHT
人物专访——国家纳米科学中心方英研究员
《物理化学学报》编辑部
2020, 36 (12): 2009078.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202009078前 言 | PREFACE
神经界面
方英
物理化学学报 2020, 36 (12): 2009081.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202009081通 讯 | COMMUNICATION
用于长期神经电生理记录的自伸展电极阵列
王璐璐, 谢泽鑫, 钟成, 唐永强, 叶丰明, 王立平, 鲁艺
物理化学学报 2020, 36 (12): 1909035.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB201909035
摘要：由于能够实现高时空分辨的神经环路功能解析，微电极阵列已经成为了神经科学研究中的重要工具。然而，目前在自由活动动物中实施长期稳定的电生理记录仍然极具挑战。为此，我们研发了一种可自伸展的多通道电极阵列，并探讨了其应用于长期神经电生理记录的可行性和潜在优势。当电极植入后，其表面的水凝胶包裹层会迅速溶胀并溶解，随后电极阵列的记录通道会在脑组织中自行展开。由于分散的记录通道的直径较小，电极在长期植入后的组织反应显著减轻。得益于此，与传统的四电极(tetrode) 相比，这种自伸展电极在长期植入后的界面阻抗显著降低，电生理信号质量更好。上述特性将受益于活体水平的神经环路机制研究。
综 述 | REVIEW
植入式光电极器件发展
李亚民，王阳，陈弘达，王毅军，刘媛媛，裴为华
物理化学学报 2020, 36 (12): 1912054.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB201912054
摘要：光遗传技术为神经科学研究提供了一种可精准、快速控制单个神经元活动的手段。为了对神经元实现光遗传调控，将光安全、高效地导入脑内，需要专门的光电极(Optrode) 给予支持。光电极是光遗传工具应用的重要组成部分，其功能是把光导入脑内调控神经元活动，同时记录神经元电信号在光调控下变化情况的一种植入式神经接口器件。随着光遗传技术在神经环路、认知与记忆等神经科学研究中应用的深入，以及其在癫痫、感官功能损伤等疾病治疗方面的探索，与光遗传技术相配合的光电极从材料选择、器件结构、给光方式和集成工艺等方面都呈现出百花齐放的发展态势，本文将按照现有植入式光电极的结构特点，将光电极器件分成基于波导型和基于微发光二极管型两大类，论述不同类别光电极器件优缺点及演进方向，对未来植入式光电极的理想结构形态及亟待解决的问题进行了讨论和展望。
面向脑机接口的犹他神经电极技术
谢凡，奚野，徐庆达，刘景全
物理化学学报 2020, 36 (12): 2003014.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202003014
摘要：脑机接口(Brain-computer interface，BCI)，是指在人或动物脑与计算机或其它电子设备之间建立的连接通路，实现了脑与外部设备的直接交互，在认识脑、保护脑和模拟脑方面有着重要的作用，尤其是将来可用于治疗患有神经系统疾病的患者，使他们受损的运动和感知等功能得以恢复。神经电极作为脑机接口的核心部分，是与神经元相互作用的电生理器件，可以用来记录或干预神经活动状态，由美国犹他大学提出的犹他电极阵列(Utah Electrode Array，UEA) 是神经电极的一个典型代表。犹他独特的三维针状结构使每个电极具有高时空分辨率的同时相互之间有良好的绝缘，植入后电极尖端只作用于周围一小群神经元，甚至可以记录单个神经元的放电活动。本文主要介绍了UEA 的结构、制造工艺流程和功能特点，重点论述其在高密度阵列、无线传输、光电极阵列等方面的研究进展，同时分析了可用于提高电极可靠性的表面修饰方法，并举例说明了UEA 的临床应用，最后对未来的发展趋势进行了展望。基于上转换纳米粒子的低损伤神经界面技术
邹亮，田慧慧
物理化学学报 2020, 36 (12): 2003042.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202003042
摘要：光遗传技术能够实现对特定类型神经元的高时间分辨调控。过去几年，光遗传技术在神经环路的结构与功能研究中得到了广泛应用，并且在神经疾病治疗领域具有良好的应用前景。目前光遗传常用光敏蛋白的激发波长位于可见光波段。可见光的组织穿透性差，很难通过组织外照射来调控动物大脑深部的神经元电活动，因此极大地限制了光遗传技术的应用。上转换纳米粒子可以将组织穿透性好的近红外光转换成可见光激活光敏蛋白，从而可以实现可见光的远程、低损伤递送。近几年来，基于上转换纳米粒子的光遗传技术得到了迅速发展。本文将总结基于上转换纳米粒子的光遗传技术的研究现状及技术瓶颈，并且结合柔性神经电极技术的发展，对构建可以同时调控与检测活体大脑电活动的低损伤、双向神经界面进行了展望。
基于一维和二维纳米材料的神经界面构筑
许可，王晋芬
物理化学学报 2020, 36 (12): 2003042.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202003042
摘要：神经电极是探索大脑神经电活动的重要工具，而神经元与电极之间的界面是制约神经电极性能的主要因素。一维和二维纳米材料由于具有独特的物理与化学性质，能够从表面形貌、机械性能、电学性能和生物相容性等方面改善神经界面，成为构筑神经电极的理想材料。本文主要以碳纳米管、硅纳米线和石墨烯等纳米材料为例，概述了一维和二维纳米材料在构筑神经电极方面的研究进展，以及它们在神经界面发挥的调控作用，并对未来神经电极的构筑及其界面研究的发展方向进行了展望。电刺激治疗神经系统损伤疾病：研究进展与展望
单义珠，封红青，李舟
物理化学学报 2020, 36 (12): 2005038.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202005038
摘要：神经系统损伤会扰乱神经系统内的通讯，导致基本神经功能丧失和瘫痪，这不仅给患者本人带来身体和心理上的极大伤害，严重影响患者的生活质量，还会对家庭乃至整个社会造成巨大的经济负担。自20世纪40年代的研究人员发现外源电场(EF) 可以诱导神经细胞产生更多的神经突以及引导轴突定向及加速生长之后，电刺激疗法即被纳入神经损伤的治疗研究中来，并在几十年的发展中涌现出很多的优秀成果。本综述讨论了EFs 对神经细胞的影响，以及应用EFs 进行外周神经(PNS) 和中枢神经(CNS) 损伤的研究进展。在PNS 中，EF 能够刺激受损肢体神经的再生和功能恢复。在CNS 中，可以使用EF刺激实现轴突再生并恢复患者的行走能力。另外，近年来关于一种新型的电刺激源——纳米发电机的研究进展迅速。纳米发电机是可将机械能直接转换为电能的创新能源器件。将其应用于生物医学领域，可以收集人体运动的机械能并直接输出电刺激，而不再需要外界的电能供应，这有望为电刺激治疗带来重大的创新和变革。本综述概述了近年来纳米发电机在神经系统疾病治疗方面的研究进展和应用实例。植入式神经电极阵列器件与材料的研究进展
都展宏，鲁艺，蔚鹏飞，邓春山，李骁健
物理化学学报 2020, 36 (12): 2007004.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202007004
摘要：人脑与电脑通过连续高通量的信息交互来实现深度融合是神经工程领域的重要发展愿景。脑机融合技术不但可以大幅提升运动残障、精神疾病、感知觉缺失能等多种疾病患者的治疗效果，更可以将电子计算机系统中存储的海量信息以及高速数值计算能力直接传递给人脑，从而赋予个人“超能力”。植入式神经电极阵列是发展宽带脑机融合智能系统所不可或缺的关键界面器件。一方面，植入式电极阵列可以同时保证大范围和高精度地记录神经元动作电位的精确发放时间和波形，为充分抽提神经信息，解读脑神经网络的活动奠定坚实基础。另一方面，借助植入式电极阵列对神经元进行高时空精度地信息写入，不但可以向脑内直接传入新信息，也可能改变神经精神疾病(例如帕金森氏症、癫痫和重度抑郁等)患者的异常神经网络活动，从而缓解症状或治疗疾病。电极阵列的微纳加工工艺、电极的理化特征及其与神经组织的界面效应是目前脑机接口技术前端研究的重要方向，而纳米材料和纳米器件等新技术在神经电子界面优化方面的重要作用也愈发明显。
基于碳纳米材料的神经电极技术
刘杨，段小洁
物理化学学报 2020, 36 (12): 2007066.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202007066
摘要：神经电极技术是监测和调控神经活动的重要手段，在基础神经科学研究和神经系统疾病诊疗方面有着广泛的应用。这项技术的关键在于神经电极与生物组织之间形成高效而且稳定的神经界面，从而实现高分辨、安全且长期稳定的神经记录和刺激。碳纳米材料因其优异的电学、力学和化学性质被用于构筑神经界面，形成了多种基于石墨烯和碳纳米管的神经电极及其阵列，包括可以改善界面稳定性从而获得长期稳定电学记录的柔性深度电极、可以实现电生理测量和光学刺激/成像联用的透明电极阵列、以及与磁共振成像高度兼容的神经电极等。本文将综述近年来基于石墨烯和碳纳米管的神经电极技术的发展及应用，并对纳米碳基神经电极的未来发展方向进行展望。论 文 | ARTICLE
基于微电极阵列的睡眠剥夺大鼠海马区神经电活动检测
陆泽营，徐声伟，王昊，刘军涛，高飞，宋轶琳，谢精玉，肖桂花，张禹，戴玉川，王云，曲丽娜，蔡新霞
物理化学学报 2020, 36 (12): 1907033.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB201907033
摘要：睡眠剥夺是一种能够实现个体睡眠部分或完全丧失的技术手段，由睡眠干扰所引发的逐渐积累的睡眠压力能导致多种生理方面的变化，甚至是个体的死亡。在本次研究中，我们使用旋转滚动式睡眠剥夺仪对大鼠进行了长达14天的睡眠剥夺，同时我们制作了一种16通道的微电极阵列并将其植入到大鼠海马区进行实时电生理信号检测。结果显示睡眠剥夺之后，大鼠海马区内的椎体神经元和中间神经元动作电位幅值提升，两种神经元动作电位的发放频率也显著增大。同时，场电位的波动也更加剧烈。神经细胞在睡眠剥夺后的快速发放模式表明长期清醒状态下神经细胞兴奋性的提升。此外，场电位在0–50 Hz 频段的平均功率计算结果显示，睡眠剥夺之后各个频段的功率均有所提升，且在δ 频段的变化最为明显。场电位在低频段的功率改变表明了睡眠剥夺所致的睡眠压力增大，此改变还将会进一步损伤大脑的相关功能。轻掺杂硅基神经电极的光噪声消减
魏春蓉，王飞，裴为华，刘智多，毛旭瑞，赵宏泽，王思凯，王毅军，杨晓伟，刘媛媛，赵姗姗，归强，陈弘达
物理化学学报 2020, 36 (12): 2005033.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202005033
摘要：硅基神经电极是记录神经细胞放电活动的一种实用工具。使用标准的集成电路加工技术，在宽度仅为70 μm 的单个硅基针上能排布上千个电极记录位点。光遗传学的发展使控制神经元活动更加精确，通过在给予光刺激的同时记录神经元的电活动，可以获取更丰富的脑活动信息。当使用黄光或蓝光刺激神经元时，光子的能量大于硅衬底的禁带宽度，价带电子被激发到导带，从而生成电子-空穴对。因此，在光刺激下使用硅基神经电极时，硅基板中的光生载流子将严重干扰电极的信噪比。为满足在光刺激同时记录电活动的应用需求，必须减少光对硅基神经电极的噪声干扰。传统的降噪方法是使用重掺杂硅作为衬底材料，通过增加杂质浓度来降低载流子寿命，从而降低硅电极的光学噪声。但是，重掺杂的硅衬底比轻掺杂的硅衬底具有更多的晶格缺陷，这使得硅基电极更加脆弱，并且该方法与标准的集成电路加工技术不兼容。通过分析在轻掺杂硅衬底上制造电极的光致噪声机理，我们发现由光激发产生的载流子的不均匀分布将使轻掺杂硅衬底极化。由光致极化引起的电势将影响在其上制造的电极。将轻掺杂硅衬底金属化和接地将有效降低极化电位。使用这种方法，由光诱发的噪声幅度将下降到原始值的0.87%。为了确保神经元的放电率，将光刺激脉冲频率选择为20 Hz。在1 mW·mm-2 的光照下，电极的背景噪声可控制在45 μV 以下，可以满足一般光遗传学应用的需求。经过上述方式改造后的轻掺杂硅衬底将满足光遗传学应用对神经探针的要求。与传统的通过重掺杂整个衬底降低光噪声方法不同，该方法与标准的集成电路加工技术兼容，为利用标准集成电路加工技术制备高密度、高通量硅电极提供了噪声消除方法。
http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/subject/listSubjectChapters.do?subjectId=1553741303692