清華新聞網(wǎng)8月25日電 8月24日，清華大學(xué)電子工程系盛興研究組發(fā)表了題為“面向無(wú)線(xiàn)光遺傳神經(jīng)調(diào)控與多巴胺檢測(cè)的光-電-化學(xué)一體化植入式多功能探針”（A wireless, implantable optoelectrochemical probe for optogenetic stimulation and dopamine detection）的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種可無(wú)線(xiàn)操控的、基于微型薄膜光電器件光-電-化學(xué)一體化多功能探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物深層腦區(qū)的光遺傳刺激和電化學(xué)檢測(cè)。該研究成果能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)與接口設(shè)備之間的雙向信息交互，為深入研究神經(jīng)環(huán)路作用機(jī)制、破解神經(jīng)疾病的發(fā)病機(jī)制等提供了有效的技術(shù)手段。論文發(fā)表于自然雜志社和中科院合作出版的《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊，并被《青年科學(xué)家特刊》（Young Scientist Issue）遴選為封面文章。
圖1 期刊封面
相比于傳統(tǒng)的神經(jīng)科學(xué)研究手段（包括電刺激和藥物刺激等），光遺傳學(xué)擁有獨(dú)特的高時(shí)空分辨率和細(xì)胞類(lèi)型特異性?xún)纱筇攸c(diǎn)，為神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域提供了革命性的研究工具，被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究中。除了神經(jīng)刺激，對(duì)神經(jīng)信號(hào)的檢測(cè)也是神經(jīng)科學(xué)研究的重要手段。在眾多神經(jīng)信號(hào)中，多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì)與生物的思想意識(shí)和生理行為密切相關(guān)，神經(jīng)遞質(zhì)的檢測(cè)對(duì)于揭示神經(jīng)疾病發(fā)病機(jī)制具有重要意義。識(shí)別神經(jīng)遞質(zhì)釋放與神經(jīng)元刺激之間的關(guān)系，對(duì)于理解疾病原因和開(kāi)發(fā)精確的治療方法至關(guān)重要。
本工作提出了一種基于微型薄膜器件的、無(wú)線(xiàn)可植入式、光-電-化學(xué)一體化多功能探針（optoelectrochemical probe）的設(shè)計(jì)思路。利用表面修飾有聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）的金剛石薄膜作為高靈敏度、光學(xué)透明、散熱性好的電化學(xué)傳感器，同時(shí)采用微型發(fā)光二極管（micro-LED）作為植入式光源；設(shè)計(jì)了一套高效的異質(zhì)襯底集成工藝，實(shí)現(xiàn)了micro-LED和電化學(xué)傳感器在柔性襯底的堆疊集成，通過(guò)對(duì)器件封裝優(yōu)化和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得光-電-化學(xué)一體化的多功能植入式探針。同時(shí)，開(kāi)發(fā)出與光-電-化學(xué)探針相匹配的微型無(wú)線(xiàn)控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)環(huán)路的遠(yuǎn)程光學(xué)調(diào)控和電化學(xué)數(shù)據(jù)采集。
圖2 光-電-化學(xué)多功能探針示意圖，及其光學(xué)、電化學(xué)性能測(cè)試
體外實(shí)驗(yàn)中，多功能探針的多巴胺檢測(cè)極限濃度約0.1uM，散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使micro-LED的表面溫升降低50%，滿(mǎn)足生物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求。在實(shí)驗(yàn)小鼠的中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA腦區(qū)），驗(yàn)證了多功能探針的光遺傳學(xué)刺激和電化學(xué)檢測(cè)功能。通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠行為的遠(yuǎn)程光遺傳調(diào)控，改變動(dòng)物的位置偏好，同時(shí)也成功捕捉到了自發(fā)的多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)釋放信號(hào)。在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示光-電-化學(xué)探針具備遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)的光遺傳學(xué)刺激和電化學(xué)檢測(cè)功能。該研究為探索神經(jīng)元活動(dòng)與神經(jīng)遞質(zhì)釋放之間的關(guān)系、深入研究神經(jīng)環(huán)路作用機(jī)制提供了技術(shù)支持。
圖3 光-電-化學(xué)多功能探針的生物在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果
清華大學(xué)電子系副教授盛興為本文通訊作者，第一作者劉長(zhǎng)波原為電子系博士后（現(xiàn)于北京航空航天大學(xué)任教），合作者包括清華大學(xué)機(jī)械工程系鄒貴生教授、劉磊副教授課題組，清華大學(xué)材料學(xué)院副教授尹斕課題組，中科院蘇州納米技術(shù)與仿生研究所孫錢(qián)課題組等。本工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-020-0176-9
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：程曦
