動態監測腦組織中的抑制性神經信號是一項極具挑戰的工作，這將有助于推進阿爾茲海默癥和癲癇癥等神經退行性疾病的發病機理的研究及診療方案的確立。過程工程所白碩研究員團隊聯合首都師范大學、北京大學、北京腦科學與類腦研究所等單位，共同開發出一種新型液/液界面超微離電器件(Liquid/liquid interfacial ultramicro iontronics，L/L UIs)，首次在阿爾茨海默模型小鼠和癲癇模型大鼠腦內等活體上，對非電化學活性的氯離子(Cl-)實現了高靈敏、抗干擾、可逆、實時動態追蹤，初步實現對抑制性神經信號的動態監測(圖)。該研究為在腦組織內實現非電化學活性物質的追蹤以及抑制性神經信號的監測提供了新思路。相關工作于12月4日發表在Science Advances上(DOI:10.1126/sciadv.adr7218)。
 

圖 L/L UIs用于嚙齒動物活體腦內氯離子的動態追蹤
 

　　抑制性神經信號的動態監測對于理解大腦平衡機制具有重要意義，能幫助揭示神經抑制在神經網絡調節、神經退行性疾病(如阿爾茨海默、癲癇)中的作用。然而，由于抑制性神經信號較弱、復雜且與興奮性信號交織在一起，實時監測抑制性神經信號仍然是技術上的重大挑戰。神經抑制信號的監測可以通過追蹤參與神經抑制過程的Cl-等關鍵物質來實現。然而，Cl-在生理環境下為非電化學活性物質，即難以發生基于電子轉移的氧化還原反應，因此難以在生理環境下對其實現動態監測，這也限制了抑制性神經信號的監測。
 

　　以電子為信號載體的傳統電子器件(Electronics)僅能發生固/液界面上的電子轉移反應，與之不同的離電器件(Iontronics)以離子作為信號載體，其與組織之間形成的液/液界面上不僅能發生電子轉移，還能發生離子轉移。研究人員首先在腦組織中構筑超微液/液界面，同時，將設計的可識別Cl-的雙硫脲離子載體(IPECl-1, IPECl-2, IPECl-3)修飾在界面處，并將填充有機凝膠的超微玻璃電極尖端植入，構筑出用于生理環境下監測Cl-的超微液/液界面離電器件(L/L UIs)。首次在生理環境下對非電化學活性的Cl-實現了高靈敏、抗干擾、可逆、實時的動態追蹤。隨后，研究人員通過將L/L UIs精準植入到阿爾茨海默模型小鼠和癲癇模型大鼠的海馬體、紋狀體及皮層等特定腦區中，探究不同腦區之間Cl-濃度的差異。通過在阿爾茨海默模型小鼠的活體腦內動態追蹤Cl-，L/L UIs證明了在神經抑制過程中扮演重要角色的鉀-氯-共轉運體2(KCC2)對腦內的Cl-濃度具有調控作用。
 

　　研究團隊致力于開發可用于人機交互的凝膠基腦機接口器件，此前已開發出兼具導電性、粘附性、抗干擾性的多功能水凝膠基電子器件(Adv. Mater. 2023, 35, 2209606)，可實現對腦部興奮性神經信號的高質量監測。動態監測神經性和抑制性信號有助于深入揭示神經活動的調控機制，有望為神經疾病的早期診斷、個性化治療及腦機接口技術提供關鍵依據。
 

　　首都師范大學講師顧超越、碩士生孔凡鎮，過程工程所副研究員梁森為共同第一作者，過程工程所研究員白碩、副研究員梁森，以及首都師范大學教授林雨青、講師顧超越為共同通訊作者，其中白碩為最后通訊作者。該工作得到了中國科學院戰略先導科技專項(XDB0520300，第一標注)、國家自然科學基金(22104095、22074095、22374103、22277121、22307117)、國家重點研發計劃項目(2020YFA0112603)、北京市自然科學基金面上項目(2222005)和北京市教育委員會科學研究計劃項目(KM202210028015)的支持。