开发新型的神经调控技术，对单个神经元或者特定神经网络的活动进行实时、精确的激活和/或抑制，对于深入理解大脑的运行机理、开发神经疾病治疗手段等都具有重要的意义。
大脑是对氧气最敏感的器官，脑组织中的氧含量直接影响大脑代谢和功能完整性，氧代谢异常也与颅脑创伤、缺血缺氧性脑病、癫痫、肿瘤等引起的神经系统病损密切相关。与近红外光谱、功能磁共振等技术所获得的血氧信息相比，组织氧分压与局部神经活动和代谢过程有着更加密切的联系。如何实时、准确、便捷、原位地监测脑组织氧分压，并解析其与神经活动的相互作用关系，是脑科学基础研究和脑疾病临床诊疗中的关键问题。近日，清华大学电子工程系盛兴课题组与合作者开发了一种植入式微型光电探针，可在自由活动的动物深层脑组织中实现无线、连续、实时的脑组织氧分压监测。
图1 脑组织氧分压检测探针工作示意图
该研究通过设计制备微型薄膜式发光二极管（LED）和光电探测器，结合氧气敏感的磷光涂层，实现高度集成的微型植入式光电探针，利用氧气对铂系金属配合物的磷光猝灭作用实现氧分压检测。此外，研究团队开发了微型柔性电路用于无线能量与信号传输，配合氧分压检测探针，实现全植入式的光电氧分压传感系统。
图2 无线电路设计
在体外表征测试中，该氧分压检测探针测得的磷光信号光强随氧分压的增加而减小，探针响应时间小于1秒，并且具有高度的氧气选择性。以啮齿类动物（小鼠等）为模型，通过微创方式植入动物脑部，实现对动物深部脑区的氧分压无线动态监测，在改变吸入氧气浓度、颈动脉短时程夹闭、麻醉等情况下探究脑组织氧分压的变化规律。此外，在电刺激小鼠海马脑区诱导癫痫的模型中，测得了癫痫放电之后海马、皮层等不同脑区显著的乏氧状态与氧分压波动；与电生理记录结合，同步监测癫痫过程中的神经电活动与局部组织氧分压变化， 探索了氧气在脑神经异常活动过程中的作用与机理，以及局部神经活动与氧代谢的耦合规律。这种无线、实时、原位、精准的动态脑组织氧分压监测技术，为深入探索氧代谢过程与神经活动以及脑疾病状态的关系提供了有效的工具。
图3 无线氧分压检测系统在改变吸入氧、
颈动脉结扎等状态下测试动物脑组织氧含量变化
图4 无线氧分压检测系统在小鼠癫痫放电状态下
检测海马区的氧含量动态变化
该研究成果近日以“一种用于监测深层脑组织氧含量的无线光电探针”（A Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue）为题，发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊。清华大学电子系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院盛兴，首都医科大学宣武医院赵国光，北京理工大学光电学院丁贺为论文的共同通讯作者。清华大学电子系博士生蔡雪、北京理工大学光电学院硕士毕业生张海舰、首都医科大学宣武医院副教授魏鹏虎和博士生刘全磊为论文共同第一作者。合作者来自清华大学电子系、材料学院、北京理工大学、首都医科大学宣武医院、中央民族大学等单位。该研究得到北京市基金、国家自然科学基金、科技部等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y
供稿｜信息光电子研究所
编辑｜陶旋姿
审核｜汪 玉 李冬梅
