深圳先进院慢性植入式光电极阵列研究取得新成果

2011-11-04 18:31 来源: 中国科学院
1299 收藏到BLOG

  11月4日, 中国科学院深圳先进技术研究院,深圳市神经精神调控重点实验室王立平研究组在Biomaterials杂志上发表了题为《用于提高光电极/神经界面性能的聚3,4-乙烯二氧噻吩/苯磺酸-聚乙烯醇/丙烯酸网际互穿聚合物复合材料》的研究文章。文章报道了通过微加工技术开发的具有较高空间分辨率的慢性植入式光纤-电极(光电极)阵列,以及适用于此光电极阵列的表面修饰技术。这种光电极阵列可用于自由活动动物,长期稳定地进行在体光遗传学(Optogenetics)神经调控和电生理记录,从而为解析特定神经回路调控特定的行为规律提供了重要的研究工具。

  光遗传学调控技术是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物技术。其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因转入到神经系统中特定类型的细胞中进行表达特殊的离子通道。这些离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。Nature Methods杂志将此技术评为"Method of the year 2010";美国麻省理工学院科技评述(MIT Technology Review)在其总结性文章"The year in biomedicine"中指出:光遗传学调控技术现已经迅速成为神经科学领域中最热门的研究方向之一。目前,这一技术正在被全球数百家从事神经科学和神经工程研究的实验室使用,帮助科学家们深入理解大脑的功能,进而深刻认识神经精神疾病的发病机理,并研发针对疾病的干预和治疗新技术。

  随着神经环路特征研究的深入,人们迫切需要将光遗传学调控技术应用在清醒、自由活动的动物模型中,以研究特定神经环路调控对应的电生理以及行为学输出之间的联系。这就需要有能够在动物体内长期植入并且能够同时实现光调控和多通道电生理记录的装置——光电极阵列系统。通过这种光电极阵列系统,能够实现在高时间-空间分辨率下研究自由活动动物中与行为相关的特定神经环路中神经元的电活动。目前文献中采用的光电极主要是微电极(或者微电极阵列)与光纤的简单结合,如光纤和钨电极、犹他电极或者密歇根电极的耦合。这些光电极目前基本上均停留在急性实验水平,无法在自由活动动物中进行长期、稳定的光遗传学调控和电生理记录。

  在最新的研究中,王立平研究组鲁艺博士等自行设计和制备了植入式多通道光电极阵列,并且采用聚3,4-乙烯二氧噻吩/苯磺酸-聚乙烯醇/丙烯酸网际互穿聚合物复合材料对光电极阵列进行了修饰,显著降低了电极界面阻抗和提高了光电极界面的生物相容性。这种光电极阵列具有较高的信噪比(SNR)和较低的背景噪音(RMS),并且可以在自由活动的大鼠上稳定地进行光调控和电生理记录。

  这项工作的完成,可以帮助人们通过光遗传学和电生理技术对活体自由活动动物特定神经环路调控,进而研究神经系统神经信息的传递、整合规律和特定动物行为输出规律。同时,还有助于神经精神性疾病(包括癫痫、重度抑郁症、帕金森氏病、焦虑症等)神经回路层面上的发生机制和干预机制的深入研究。此外,这项研究中发展的导电聚合物/水凝胶网际互穿聚合物材料还适用于其它植入式神经电极的修饰和药物缓释载体等。

  此研究工作由王立平研究组的鲁艺博士、李艳玲博士、潘建青博士等共同完成。此研究成果受到中国科学院“百人计划”、国家自然科学基金、中国科学院科研装备研制项目和深圳市重点实验室等项目的资助。

  论文链接

植入式光电极阵列以及正在进行光调控和电生理记录的大鼠

  通过修饰显著降低了光电极的背景噪音,提高了其信噪比,改善了光电极/神经界面的性能,使得光电极能长期、稳定地在动物体内进行光调控和电生理记录。