長春應(yīng)化所張強研究員課題組與合作者 Adv. Mater.：基于支鏈淀粉水凝膠神經(jīng)探針的腦機接口技術(shù)
腦機接口（BMI）是連接人腦與外部設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，可用于采集大腦數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)神經(jīng)回路，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、娛樂和通信領(lǐng)域。尤其是借助光遺傳學(xué)這種神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，BMI能夠幫助治療難治性腦疾病。高效的神經(jīng)探針是腦機接口的核心工具。然而，傳統(tǒng)金屬探針由于與腦組織模量不匹配，長期使用會引發(fā)免疫反應(yīng)，影響穩(wěn)定性。作為理想替代方案，水凝膠因其與腦組織相似的物理和化學(xué)特性，逐漸受到關(guān)注。然而，水凝膠本質(zhì)是不導(dǎo)電的，添加導(dǎo)電納米填料又會影響其透光率，進而影響其神經(jīng)調(diào)節(jié)的效率，如何在透明度和導(dǎo)電性之間找到平衡，是設(shè)計高效水凝膠神經(jīng)探針的重大挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所張強團隊與中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第989醫(yī)院常祺團隊聯(lián)合研發(fā)了一種支鏈淀粉基水凝膠神經(jīng)探針，實現(xiàn)了性能與功能的全面突破（圖1）。支鏈淀粉誘導(dǎo)了PEDOT鏈的重排，減少了PEDOT鏈的積累，提高了透光率和電導(dǎo)率？蒲腥藛T利用該水凝膠作為神經(jīng)探針實現(xiàn)了連續(xù)8周對腦神經(jīng)信息的監(jiān)測，同時借助光遺傳學(xué)技術(shù)，該水凝膠探針可原位實現(xiàn)腦神經(jīng)信號的記錄和神經(jīng)回路的精準(zhǔn)調(diào)控。這一技術(shù)在中風(fēng)大鼠模型上的實驗中取得顯著療效。通過對受損腦區(qū)的同側(cè)運動皮層進行藍光調(diào)控，成功激發(fā)了受損神經(jīng)元的放電活動，重建了突觸連接，恢復(fù)了腦神經(jīng)回路，顯著減小了腦組織的梗死面積，并有效促進了大鼠的運動功能恢復(fù)。相關(guān)研究成果以題為 “Amylopectin-based Hydrogel Probes for Brain-machine Interfaces” 發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上。
圖1.水凝膠的結(jié)構(gòu)、特性及其作為可植入式探針的應(yīng)用示意圖
支鏈淀粉：小分子蘊含大能量
該項研究對水凝膠的模量、粘附性、電導(dǎo)率和透光率等關(guān)鍵性能指標(biāo)進行了全面的分析（圖2）。其具備與腦組織匹配的低模量（43 kPa），避免了組織損傷和免疫反應(yīng)。由于支鏈淀粉誘導(dǎo)PEDOT鏈重排，減少鏈堆積，提高了水凝膠的電導(dǎo)率（11.93 S/m）和透光率（70.4%）。與文獻報道的其他水凝膠相比，該水凝膠在電導(dǎo)率、模量和透光率之間達到了平衡。此外，該水凝膠還具備較好的長期穩(wěn)定性。經(jīng)過100次拉伸循環(huán)后，水凝膠的抗拉強度和電導(dǎo)性能保持不變，且電化學(xué)測試顯示無明顯氧化還原反應(yīng)。
圖2. 支鏈淀粉基水凝膠良好的基礎(chǔ)性能
該水凝膠具備良好的生物相容性。通過細胞毒性實驗和免疫熒光實驗驗證，水凝膠對細胞和組織無毒害，與腦組織形成了良好的接觸界面。與傳統(tǒng)探針相比，植入腦內(nèi)的小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞數(shù)量更少，顯著降低了異物反應(yīng)，這有利于其作為神經(jīng)探針的長期穩(wěn)定性（圖3）。
圖3. 支鏈淀粉基水凝膠良好的生物相容性
探針應(yīng)用：從神經(jīng)信號采集到疾病治療
該水凝膠作為神經(jīng)探針可用于腦神經(jīng)信號記錄（圖4）。其可連續(xù)8周監(jiān)測大鼠海馬區(qū)局部場電位信號，信號衰減程度低于PT探針和傳統(tǒng)水凝膠探針。除記錄大鼠清醒和睡眠狀態(tài)下的自發(fā)局部場電位外，水凝膠探針還可記錄外界刺激（如尾部夾持、胡須波動）引發(fā)的誘發(fā)局部場電位。同時，其作為微探針成功記錄了大鼠單個神經(jīng)元信號，信噪比達4.02。
圖4. 支鏈淀粉基水凝膠用于神經(jīng)信號監(jiān)測
水凝膠探針具備導(dǎo)電和透光特性，可進行原位光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控和電生理記錄。通過調(diào)節(jié)輸入藍光的頻率和功率，水凝膠光電極記錄到對應(yīng)變化的局部場電位信號，且無光電偽影干擾。同時，由于該水凝膠光電極較好的生物相容性，其可對正常大鼠進行為期4周的光遺傳學(xué)調(diào)控，這擴大了其應(yīng)用范圍（圖5）。
圖5. 支鏈淀粉基水凝膠用于原位神經(jīng)信號監(jiān)測與光遺傳調(diào)控
基于水凝膠探針原位進行光遺傳學(xué)的能力，其可用于治療中風(fēng)模型大鼠。通過對中風(fēng)模型大鼠的初級運動皮層進行光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控，顯著增強了神經(jīng)保護蛋白的分泌，刺激神經(jīng)元分化，重新連接腦神經(jīng)回路，減少梗死區(qū)面積（從36%降至8%）。調(diào)控后大鼠在平衡木實驗和圓筒實驗中的表現(xiàn)明顯優(yōu)于自恢復(fù)組，運動功能和體重恢復(fù)顯著加快（圖6）。
圖6. 支鏈淀粉基水凝膠用于中風(fēng)模型大鼠治療
該研究開發(fā)的支鏈淀粉基水凝膠探針，實現(xiàn)了模量、電導(dǎo)率和透明度的高度平衡，同時具備長期穩(wěn)定性和優(yōu)異的生物相容性。它不僅能夠高效記錄大腦神經(jīng)信號，還可實現(xiàn)神經(jīng)回路精準(zhǔn)調(diào)控，特別是在中風(fēng)治療中展現(xiàn)出巨大潛力。未來，這項技術(shù)有望成為腦疾病監(jiān)測和治療的利器，推動腦機接口領(lǐng)域邁向新臺階。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202416926
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