腦機接口離體芯片是在多通道微電極陣列（Microelectrode Array，MEA）上進(jìn)行體外神經(jīng)元培養(yǎng)，從而形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人造設(shè)備間的通訊機制，是腦機接口方向的一種典型直接神經(jīng)接口，不僅可以實時獲取神經(jīng)元的信息活動動態(tài)變化，為體外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息檢測提供一種高通量、高信噪比和較好生物相容性的檢測工具，還能很好地與藥物調(diào)控、電調(diào)控等技術(shù)相結(jié)合來探究調(diào)控下神經(jīng)系統(tǒng)的活動，在腦科學(xué)、腦機交互和生命健康領(lǐng)域具有重大科學(xué)意義和重要的應(yīng)用前景。然而，離體神經(jīng)元檢測與調(diào)控的高效器件和芯片的缺乏，許多腦功能在細(xì)胞與網(wǎng)絡(luò)層面的機制并不明確。通過新型納米復(fù)合材料的定向修飾能夠大幅度提升微電極陣列的相關(guān)性能，從而為設(shè)計并研制先進(jìn)的腦機接口芯片提供重要思路。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院蔡新霞團隊和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所許琪團隊合作，制備了一款用于高通道的微電極陣列，適用于體外培養(yǎng)神經(jīng)元或腦切片的信息檢測與調(diào)控。結(jié)合了PEDOT:PSS/PtNPs納米功能材料，研制出低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲容量、高最大電荷注入密度的腦機接口，可實現(xiàn)精準(zhǔn)、安全的電調(diào)控海馬神經(jīng)元產(chǎn)生刺激下的學(xué)習(xí)功能，并因其高時空分辨的能力記錄到神經(jīng)元學(xué)習(xí)過程中電生理特征和記憶曲線，進(jìn)而探究了大腦學(xué)習(xí)潛在的神經(jīng)機制。相關(guān)成果以Supplementary Cover形式發(fā)表在領(lǐng)域重要期刊ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES上。

首先，研究人員通過微加工工藝制備了高通道的微電極陣列。材料方面選用了透明石英玻璃基底、Ti/Pt導(dǎo)電層、SiO?/Si?O?絕緣層和納米復(fù)合材料界面層。此外，電極陣列包含128個直徑為30μm的檢測位點，可檢測微弱的神經(jīng)元信號。研究中對比了PEDOT:PSS、PEDOT:PSS/AuNPs和PEDOT:PSS/PtNPs三種納米復(fù)合材料的神經(jīng)界面在神經(jīng)調(diào)控與神經(jīng)檢測方面的性能。PEDOT:PSS/PtNPs神經(jīng)界面具有低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲容量、高最大電荷注入密度、良好穩(wěn)定性和生物相容性，有效提高微電極檢測與調(diào)控性能，有利于神經(jīng)信號的調(diào)控與檢測。

圖1 用于研究腦功能的離體腦機接口平臺

圖2 MEA的制造和修飾示意圖

（a）基板清洗；（b）通過第一次光刻在基板上形成微電極、導(dǎo)線和接觸墊的圖案；（c）濺射Ti/Pt導(dǎo)電層；（d）剝離金屬層；（e）PECVD沉積絕緣層；（f）CHF?蝕刻暴露微電極和接觸墊；（g）PEDOT:PSS電化學(xué)沉積到微電極上；（h）PtNPs沉積到PEDOT:PSS層上；（i）高通道微電極陣列；（j）微電極的內(nèi)部布局。

為了確認(rèn)激活神經(jīng)元的最佳電刺激模式，多種參數(shù)的電刺激被應(yīng)用于海馬神經(jīng)元。如圖3所示，通過評價刺激后神經(jīng)元的尖峰放電速率、局部場電位功率和刺激后事件直方圖（PSTH）。確定了幅度為±300mV、脈寬為200μs、頻率為1Hz的雙極性電壓脈沖序列是能夠激活神經(jīng)元學(xué)習(xí)的有效模式。

圖3 不同頻率電刺激對海馬神經(jīng)元點活動的影響

（a）刺激前、0.2Hz刺激后、1Hz刺激后和5Hz刺激后神經(jīng)元尖峰和LFP功率信號的變化；（b）刺激前、10Hz刺激后、20Hz刺激后和50Hz刺激后神經(jīng)元尖峰和LFP功率信號的變化；（c）1Hz刺激的刺激后事件直方圖；（d）0.2Hz刺激的刺激后事件直方圖。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，海馬神經(jīng)元在多個訓(xùn)練電脈沖序列以后表現(xiàn)出學(xué)習(xí)逐漸加深的特征，在神經(jīng)電生理上具體表現(xiàn)神經(jīng)元放電越來越趨向簇狀放電的情況（圖4）。

圖4 海馬神經(jīng)元在學(xué)習(xí)訓(xùn)練后的電生理特征

（a）訓(xùn)練前、第一次訓(xùn)練后、第二次訓(xùn)練后和最后一次訓(xùn)練后的尖峰放電圖；（b）訓(xùn)練前、第一次訓(xùn)練后、第二次訓(xùn)練后和最后一次訓(xùn)練后海馬神經(jīng)元的聯(lián)合尖峰間隔分布圖。

并且神經(jīng)元學(xué)習(xí)后，可培養(yǎng)在多通道微電極陣列上的神經(jīng)元活動之間的相關(guān)性與同步性（圖5a和5b）。通過以上結(jié)論，研究人員推斷出神經(jīng)元在學(xué)習(xí)過程中它們之間的聯(lián)系在不斷的加深，就如同人在學(xué)習(xí)事物時，大腦不同區(qū)域產(chǎn)生協(xié)同作用最終將事物記下。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，在撤去誘導(dǎo)神經(jīng)元學(xué)習(xí)的訓(xùn)練后，神經(jīng)元依然能保持著刺激引發(fā)的高簇狀放電的特征（圖5c）。這貼合人類學(xué)習(xí)一件事情的記憶曲線。

圖5 學(xué)習(xí)訓(xùn)練后海馬神經(jīng)元之間放電的同步性，以及神經(jīng)元尖峰和爆發(fā)放電的記憶曲線

（a）網(wǎng)絡(luò)同步指標(biāo)動態(tài)變化的過程；（b）不同階段的歸一化平均同步指數(shù)（n=30，***p<0.001）；（c）訓(xùn)練期間和訓(xùn)練后四小時的射擊率和爆發(fā)率（n=5）。

總體而言，基于PEDOT:PSS/PtNPs的高通道微電極陣列組成的腦機接口離體芯片具有良好的生物相容性，與活體腦機接口芯片相比倫理道德的束縛更小，作為重要的研究工具在腦重大疾病、新型藥物研制、新一代人工智能和器官芯片等諸多重要研究領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c23170

審核編輯 ：李倩