【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】動態(tài)監(jiān)測腦組織中的抑制性神經(jīng)信號是一項極具挑戰(zhàn)的工作，這將有助于推進阿爾茲海默癥和癲癇癥等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機理的研究及診療方案的確立。過程工程所白碩研究員團隊聯(lián)合首都師范大學、北京大學、北京腦科學與類腦研究所等單位，共同開發(fā)出一種新型液/液界面超微離電器件(Liquid/liquid interfacial ultramicro iontronics，L/L UIs)，首次在阿爾茨海默模型小鼠和癲癇模型大鼠腦內(nèi)等活體上，對非電化學活性的氯離子(Cl-)實現(xiàn)了高靈敏、抗干擾、可逆、實時動態(tài)追蹤，初步實現(xiàn)對抑制性神經(jīng)信號的動態(tài)監(jiān)測(圖)。該研究為在腦組織內(nèi)實現(xiàn)非電化學活性物質(zhì)的追蹤以及抑制性神經(jīng)信號的監(jiān)測提供了新思路。相關(guān)工作于12月4日發(fā)表在Science Advances上(DOI:10.1126/sciadv.adr7218)。
圖 L/L UIs用于嚙齒動物活體腦內(nèi)氯離子的動態(tài)追蹤
抑制性神經(jīng)信號的動態(tài)監(jiān)測對于理解大腦平衡機制具有重要意義，能幫助揭示神經(jīng)抑制在神經(jīng)網(wǎng)絡調(diào)節(jié)、神經(jīng)退行性疾病(如阿爾茨海默、癲癇)中的作用。然而，由于抑制性神經(jīng)信號較弱、復雜且與興奮性信號交織在一起，實時監(jiān)測抑制性神經(jīng)信號仍然是技術(shù)上的重大挑戰(zhàn)。神經(jīng)抑制信號的監(jiān)測可以通過追蹤參與神經(jīng)抑制過程的Cl-等關(guān)鍵物質(zhì)來實現(xiàn)。然而，Cl-在生理環(huán)境下為非電化學活性物質(zhì)，即難以發(fā)生基于電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應，因此難以在生理環(huán)境下對其實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，這也限制了抑制性神經(jīng)信號的監(jiān)測。
以電子為信號載體的傳統(tǒng)電子器件(Electronics)僅能發(fā)生固/液界面上的電子轉(zhuǎn)移反應，與之不同的離電器件(Iontronics)以離子作為信號載體，其與組織之間形成的液/液界面上不僅能發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，還能發(fā)生離子轉(zhuǎn)移。研究人員首先在腦組織中構(gòu)筑超微液/液界面，同時，將設計的可識別Cl-的雙硫脲離子載體(IPECl-1, IPECl-2, IPECl-3)修飾在界面處，并將填充有機凝膠的超微玻璃電極尖端植入，構(gòu)筑出用于生理環(huán)境下監(jiān)測Cl-的超微液/液界面離電器件(L/L UIs)。首次在生理環(huán)境下對非電化學活性的Cl-實現(xiàn)了高靈敏、抗干擾、可逆、實時的動態(tài)追蹤。隨后，研究人員通過將L/L UIs精準植入到阿爾茨海默模型小鼠和癲癇模型大鼠的海馬體、紋狀體及皮層等特定腦區(qū)中，探究不同腦區(qū)之間Cl-濃度的差異。通過在阿爾茨海默模型小鼠的活體腦內(nèi)動態(tài)追蹤Cl-，L/L UIs證明了在神經(jīng)抑制過程中扮演重要角色的鉀-氯-共轉(zhuǎn)運體2(KCC2)對腦內(nèi)的Cl-濃度具有調(diào)控作用。
研究團隊致力于開發(fā)可用于人機交互的凝膠基腦機接口器件，此前已開發(fā)出兼具導電性、粘附性、抗干擾性的多功能水凝膠基電子器件(Adv. Mater. 2023, 35, 2209606)，可實現(xiàn)對腦部興奮性神經(jīng)信號的高質(zhì)量監(jiān)測。動態(tài)監(jiān)測神經(jīng)性和抑制性信號有助于深入揭示神經(jīng)活動的調(diào)控機制，有望為神經(jīng)疾病的早期診斷、個性化治療及腦機接口技術(shù)提供關(guān)鍵依據(jù)。
首都師范大學講師顧超越、碩士生孔凡鎮(zhèn)，過程工程所副研究員梁森為共同第一作者，過程工程所研究員白碩、副研究員梁森，以及首都師范大學教授林雨青、講師顧超越為共同通訊作者，其中白碩為最后通訊作者。該工作得到了中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項(XDB0520300，第一標注)、國家自然科學基金(22104095、22074095、22374103、22277121、22307117)、國家重點研發(fā)計劃項目(2020YFA0112603)、北京市自然科學基金面上項目(2222005)和北京市教育委員會科學研究計劃項目(KM202210028015)的支持。
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