近日，上海交通大學電子信息與電氣工程學院微米納米加工技術全國重點實驗室劉景全團隊在面向單神經元的多功能腦機接口器件領域取得新進展，相關成果以“An opto-electrophysiology neural probe with photoelectric artifact-free for advanced single-neuron analysis”(一種用于先進單神經元分析的無光電偽影的光電生理神經探針)為題在國際著名期刊《ACS Nano》上發表。
 

研究背景
 

　　單神經元信號檢測技術可以從分子水平揭示神經元的內在機制。以單神經元為靶點的光電生理神經探針為利用不同物理量闡明神經系統內在機制提供了重要途徑，是腦機接口器件的未來重要發展方向之一。然而，在亞細胞尺寸內實現探針的多功能集成難度大且常規植入式腦機接口器件難以實現胞內植入。除此之外，光電偽影的存在使目標信號的提取和分析變得復雜。鑒于此，該團隊著力探索應用于單神經元/亞細胞域的光電功能集成神經探針，并開發消除光電偽影的有效方法。
 

　　亮點內容
 

　　該研究借助激光輔助拉制技術和微納加工工藝制作了一種用于單神經元內電記錄和光刺激的光電生理神經探針。該探針以納米管為基礎具備多層結構的特點，采用納米光纖作為光通道，氧化銥材料作為電通道分別集成在尖端的內外層。彎曲和植入測試證明該探針的機械性能滿足腦內植入需求且具有較好的抗污染能力。設計的全內反射層解決了與常規植入式腦機接口器件相比在單神經元分析中更為突出的光電偽影問題。該光電生理神經探針為胞內多功能腦機接口器件提供了通用而有效的工具。
 

光電生理神經探針制備流程
 

　　該團隊選用小鼠海馬體神經元細胞系進行細胞實驗，評估結果顯示探針對細胞的無損率高于錐形化光纖，并證明在探針插入過程中細胞膜可完全包裹電極尖端，沒有發生胞內物質和活性的改變。通過調整探針尖端直徑，可以實現對單個神經元和局部神經元的熒光點亮，這種能力使該探針具有對細胞核、線粒體、部分內質網和高爾基體等細胞器進行光刺激研究的潛力。除此之外，成功記錄到雙光通道探針在可見光(380-750 nm)范圍內的發射光譜。
 

細胞活力與光刺激測試
 

　　為探究光電生理神經探針的抗光電偽影能力，從有限元仿真和電信號波形方面進行了對比分析。有限元仿真分析證明光通道內的電場強度提高了50%且空氣域中的光泄露幾乎為零。通過記錄10 Hz光源下的電信號波形可以得出，光電生理神經探針在有無光刺激時的背景噪聲沒有差異，且噪聲頻數統計分布相似，均呈現出隨機噪聲具備的正態分布特征。結果表明，TIR層的引入可有效防止光泄露，并在時域上消除光電偽影，在頻域上功率譜密度與其他噪聲水平相當。
 

光電偽影對比分析
 

　　該工作面向多物理量精確調控與探測神經元的新型研究方法，在推動胞內腦機接口器件發展和開發新型神經系統疾病治療策略方面極具潛力。在未來應用到在體之前，需要對特定細胞模型進行更加全面的性能評估，開發可靠的配套植入裝置，實現安全有效的跨尺度信號記錄與分析。
 

　　研究團隊
 

　　上海交通大學電院劉景全教授為通訊作者，博士生徐慶達為第一作者，該工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目資助。
 

　　劉景全教授團隊長期致力于可穿戴/可植入柔性電子器件、MEMS腦機接口器件等研究(Sci. Adv. 2021、Adv. Mater. 2021、Adv. Funct. Mater. 2023、ACS Nano 2023、Small 2019、和Biosens. Bioelectron. 2024等)，并推動其臨床轉化。