清華新聞網(wǎng)9月6日電 開(kāi)發(fā)新型神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，對(duì)單個(gè)神經(jīng)元或者特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確地激活和/或抑制，對(duì)于深入理解大腦的運(yùn)行機(jī)理、開(kāi)發(fā)神經(jīng)疾病治療手段等都具有重要的意義。相較于藥物等生物化學(xué)方法，基于光電信號(hào)等物理場(chǎng)的神經(jīng)調(diào)控方式具有無(wú)線(xiàn)操控、時(shí)空分辨率高、響應(yīng)快、副作用小等優(yōu)點(diǎn)，也是近年來(lái)腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
近日，清華大學(xué)電子工程系盛興課題組與合作者研究發(fā)現(xiàn)，使用柔性薄膜單晶硅二極管與神經(jīng)系統(tǒng)集成，在光照情況下可產(chǎn)生極化電場(chǎng)，對(duì)離體和在體的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行選擇性的無(wú)線(xiàn)激活和抑制。同時(shí)，薄膜硅結(jié)構(gòu)可在生物體內(nèi)安全降解，具備良好的生物相容性。這種生物友好、非遺傳學(xué)、可無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程操作、實(shí)現(xiàn)激活-抑制雙向光電調(diào)控的植入式器件，可為基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究和臨床應(yīng)用提供有效的技術(shù)支撐。
硅基半導(dǎo)體是信息產(chǎn)業(yè)的基石，pn二極管結(jié)構(gòu)作為電子工程的基本單元，被廣泛應(yīng)用于微電子芯片、光電探測(cè)與成像、光伏電池等系統(tǒng)中。在生物系統(tǒng)中，當(dāng)硅基二極管與神經(jīng)系統(tǒng)的基本單元——神經(jīng)元進(jìn)行結(jié)合時(shí)，其光電特性將如何影響神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)與功能？研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，柔性薄膜硅基二極管結(jié)構(gòu)與神經(jīng)組織集成時(shí)，其在光照條件下，在半導(dǎo)體-溶液界面處產(chǎn)生極化的光生電場(chǎng)，不需引入光遺傳學(xué)等基因編碼工具，即可選擇性的激活-抑制神經(jīng)信號(hào)的活動(dòng)。
圖1.可降解硅薄膜二極管產(chǎn)生光電信號(hào)激活和抑制神經(jīng)活動(dòng)（示意圖）
在離體實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在極性不同的薄膜硅二極管結(jié)構(gòu)（p+n型和n+p型）表面培養(yǎng)背根神經(jīng)元（dorsal root ganglion, DRG），硅器件的極化光生電場(chǎng)可相應(yīng)地抬升或降低細(xì)胞的膜電位，引起神經(jīng)元的去極化或超極化，進(jìn)一步激活或者抑制動(dòng)作電位的發(fā)放，并引起鈣活動(dòng)信號(hào)的上升或者下降。
圖2.硅薄膜二極管光電壓極性依賴(lài)的激活和抑制離體神經(jīng)元活動(dòng)
通過(guò)微納工藝制備的圖案化硅基薄膜器件，可共形貼附在活體生物組織表面，進(jìn)行在體生物神經(jīng)信號(hào)的遠(yuǎn)程光電調(diào)控。把硅基二極管薄膜包覆于小鼠的坐骨神經(jīng)節(jié)，通過(guò)極性依賴(lài)的光生電場(chǎng)，可選擇性地增強(qiáng)或者減弱小鼠后肢的運(yùn)動(dòng)幅度。把硅基二極管薄膜貼附在小鼠大腦皮層上，產(chǎn)生的光生電場(chǎng)也可相應(yīng)地激活或者抑制皮層的電活動(dòng)。
圖3. 硅薄膜二極管光電壓極性依賴(lài)的激活和抑制在體神經(jīng)：（a）調(diào)控坐骨神經(jīng)的激活和抑制活動(dòng)和（b）調(diào)控大腦皮層內(nèi)神經(jīng)區(qū)域的激活和抑制活動(dòng)
另外，硅基半導(dǎo)體還具備良好的生物安全性和可降解特性，把硅薄膜器件與可降解的襯底結(jié)合，將其包覆在動(dòng)物坐骨神經(jīng)或者貼附在大腦皮層上，通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)記錄，均可觀(guān)察到硅薄膜在生物體內(nèi)的自然溶解和消失過(guò)程。這種可降解特性，可避免引入二次手術(shù)取出植入物帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，為特定的醫(yī)療應(yīng)用展示了潛在的前景。
圖4. 坐骨神經(jīng)和大腦皮層上硅薄膜的生物降解性測(cè)試
該研究成果在《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）發(fā)表，題為“可降解薄膜硅基二極管光電激活和抑制神經(jīng)活動(dòng)”（Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities）。
本文的共同通訊作者為清華大學(xué)電子系、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院盛興副教授，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院李驍健研究員，北京理工大學(xué)汪世溶副研究員。共同第一作者為清華大學(xué)原博士后黃云翔、北京生命科學(xué)研究所博士后崔玉婷、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院技術(shù)員鄧漢杰。合作者來(lái)自清華大學(xué)電子系、材料學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、北京理工大學(xué)、北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心等單位。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、北京市基金、科技部等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00931-0
供稿：電子系
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：呂婷
