电子工程系

Department of Electronic Engineering

清华电子系盛兴研究组在开发光-电-化学一体化植入式神经调控与检测器件方面取得重要进展

8月24日,清华大学电子工程系盛兴研究组发表了题为《面向无线光遗传神经调控与多巴胺检测的光-电-化学一体化植入式多功能探针》“A wireless, implantable optoelectrochemical probe for optogenetic stimulation and dopamine detection” 的研究论文。研究团队开发了一种可无线操控的、基于微型薄膜光电器件光-电-化学一体化多功能探针,实现对动物深层脑区的光遗传刺激和电化学检测。该研究成果能够实现神经系统与接口设备之间的双向信息交互,为深入研究神经环路作用机制、破解神经疾病的发病机制等提供了有效的技术手段。论文发表于自然杂志社和中科院合作出版的《微系统与纳米工程》(Microsystems & Nanoengineering)杂志,并被“青年科学家特刊”(Young Scientist Issue)遴选为封面文章。

图1. 杂志封面

相比于传统的神经科学研究手段(包括电刺激和药物刺激等),光遗传学拥有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点,为神经学领域提供了革命性的研究工具,被广泛应用于神经科学研究中。除了神经刺激,对神经信号的检测也是神经科学研究的重要手段。在众多神经信号中,多巴胺等神经递质与生物的思想意识和生理行为密切相关,神经递质的检测对于揭示神经疾病发病机制具有重要意义。识别神经递质释放与神经元刺激之间的关系对于理解疾病原因和开发精确的治疗方法至关重要。

本工作提出了一种基于微型薄膜器件的、无线可植入式、光-电-化学一体化多功能探针(optoelectrochemical probe)的设计思路。利用表面修饰有聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的金刚石薄膜作为高灵敏度、光学透明、散热性好的电化学传感器,同时采用微型发光二极管(micro-LED)作为植入式光源;设计了一套高效的异质衬底集成工艺,实现了micro-LED和电化学传感器在柔性衬底的堆叠集成,通过对器件封装优化和散热结构设计,获得光-电-化学一体化的多功能植入式探针。同时,开发出与光-电-化学探针相匹配的微型无线控制电路,实现对神经环路的远程光学调控和电化学数据采集。

图2. 光-电-化学多功能探针示意图,及其光学、电化学性能测试

体外实验中,多功能探针的多巴胺检测极限浓度约0.1uM,散热结构设计使micro-LED的表面温升降低50%,满足生物体内实验要求。在实验小鼠的中脑腹侧被盖区(VTA脑区),验证了多功能探针的光遗传学刺激和电化学检测功能。通过无线传输系统可以实现对小鼠行为的远程光遗传调控,改变动物的位置偏好,同时也成功捕捉到了自发的多巴胺神经递质释放信号。在体实验结果显示光-电-化学探针具备远程、实时的光遗传学刺激和电化学检测功能。该研究为探索神经元活动与神经递质释放之间的关系、深入研究神经环路作用机制提供了技术支持。

图3. 光-电-化学多功能探针的生物在体实验结果

本文的通讯作者为清华大学电子系副教授盛兴(同时为清华IDG麦戈文脑科学研究院兼职研究员),第一作者刘长波原为电子系博士后(现于北京航空航天大学任教),合作者包括清华大学机械工程系邹贵生教授、刘磊副教授课题组,清华大学材料学院副教授尹斓课题组,中科院苏州纳米技术与仿生研究所孙钱课题组等。本工作获得了国家自然科学基金、北京信息科学与技术国家研究中心、中科院创新交叉团队等项目支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41378-020-0176-9