中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所裴為華研究員團隊在腦機接口核心器件——植入式神經(jīng)微電極研發(fā)方面取得重要突破，開發(fā)出一種創(chuàng)新性神經(jīng)透明電極技術(shù)，為神經(jīng)信號的多模態(tài)高分辨采集和在體神經(jīng)長期記錄提供了創(chuàng)新解決方案。電活動是以大腦為代表的神經(jīng)信息系統(tǒng)產(chǎn)生、傳輸和處理信息的基礎(chǔ)。檢測活體生物的神經(jīng)活動是腦科學(xué)研究、臨床神經(jīng)及精神類疾病研究和腦機接口應(yīng)用研究的關(guān)鍵核心技術(shù)。植入式胞外神經(jīng)微電極可以記錄單個神經(jīng)元的動作電位，具有非常高的時間分辨率；鈣離子熒光成像是利用神經(jīng)元放電或興奮時，細胞內(nèi)鈣離子濃度會迅速上升10~100倍這一特點，通過對細胞內(nèi)鈣離子進行熒光標記、再利用植入式微型顯微鏡就可直接同時觀察數(shù)百個甚至上千細胞的活動情況，具有很高的空間分辨能力。受限于熒光的壽命及其飽和濃度等條件限制，鈣離子成像目前還無法快速響應(yīng)神經(jīng)元的時間變化。
針對自由活動動物神經(jīng)活動記錄高空間分辨和高時間分辨難以同步實施的難題，研究團隊通過獨特的光電材料復(fù)合設(shè)計和柔性電極工藝，成功實現(xiàn)了透明電極與迷你頭戴式熒光顯微鏡的無縫集成，集成的光電神經(jīng)接口器件植入小鼠大腦后幾乎不影響小鼠的自由活動，通過對單個神經(jīng)元電發(fā)放和群體神經(jīng)元熒光鈣離子光成像的同時雙模記錄，實現(xiàn)了對神經(jīng)元環(huán)路的高時間分辨和高空間分辨的同步記錄，為解析神經(jīng)回路動態(tài)提供了一種創(chuàng)新工具(圖1)。
相關(guān)成果以Transparent, flexible graphene-ITO-based neural microelectrodes for simultaneous electrophysiology recording and calcium imaging of intracortical neural activity in freely moving mice為題，近日發(fā)表于《微系統(tǒng)與納米工程(英文)》(Microsystems & Nanoengineering，DOI: 10.21203/rs.3.rs-4948066/v1)上。半導(dǎo)體所裴為華研究員和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)/深圳先進研究院畢國強教授為共同通訊作者。
圖1 光電雙模神經(jīng)接口器件及其動物實驗結(jié)果
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