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  光纖作為一種常見的光導(dǎo)器件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信、物理化學(xué)傳感等領(lǐng)域，高效地利用它的表面積或許就能實(shí)現(xiàn)更多功能的集成，然而它彎曲的表面使得與其他電子元件的集成極具挑戰(zhàn)性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，相比于分離式的光纖與電極系統(tǒng)，利用光纖自身與光纖表面進(jìn)行刺激與感測(cè)，就能夠?qū)崿F(xiàn)植入物尺寸最小、 對(duì)組織的損傷最小。

  鑒于此，天津大學(xué)生物醫(yī)學(xué)柔性電子實(shí)驗(yàn)室黃顯教授結(jié)合柔性電子技術(shù)的研究背景，提出了一種新型的用于多腦區(qū)光刺激與生理監(jiān)測(cè)的多通道植入式柔性光遺傳器件。該器件以柔性光纖作為載體，將不同波長(zhǎng)的光傳輸?shù)教囟ǖ哪X區(qū)，用于對(duì)特定神經(jīng)元進(jìn)行光調(diào)控，與此同時(shí)，該設(shè)計(jì)充分利用了光纖彎曲的表面，在光纖側(cè)壁集成了柔性電極陣列，用于探測(cè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位監(jiān)測(cè)神經(jīng)元的活動(dòng)（圖1a）。柔性電極陣列與柔性光纖的緊密結(jié)合經(jīng)過了三次轉(zhuǎn)�。▓D1b），這種利用柔性基底進(jìn)行轉(zhuǎn)印的技術(shù)也可以用于其他柔性電子器件與曲面結(jié)構(gòu)的完美貼合，文章中以柔性三電極電化學(xué)傳感器與光纖的集成作為例子進(jìn)行了展示。該器件的功能和時(shí)序由無線電路控制，并由鋰電池供電，可以固定在自由活動(dòng)的大鼠頭上同時(shí)不會(huì)影響大鼠的正常活動(dòng)，器件柔性的特點(diǎn)也使得植入深度可以自由調(diào)節(jié)（圖1c-e）。

圖1. 多通道植入式柔性光遺傳器件的工作示意圖及器件結(jié)構(gòu)圖

  研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該器件的光學(xué)、電學(xué)等方面性能進(jìn)行了體外的表征測(cè)試，并將該器件植入麻醉大鼠的四個(gè)腦區(qū)中（圖2a）。該器件的32個(gè)通道能夠在不同腦區(qū)中同時(shí)記錄局部場(chǎng)電位和動(dòng)作電位等電生理信號(hào)（圖2b-d），實(shí)驗(yàn)證明可以探測(cè)到67μV的微弱自發(fā)動(dòng)作電位（圖2c），并且對(duì)來自不同細(xì)胞的放電進(jìn)行區(qū)分（圖2d）。

圖2. 活體大鼠的電生理記錄

  研究團(tuán)隊(duì)通過光遺傳調(diào)控實(shí)現(xiàn)了對(duì)大鼠神經(jīng)元的激活，在有藍(lán)色光刺激的時(shí)候，轉(zhuǎn)染了ChR2光敏蛋白的神經(jīng)元以~2Hz或者~1Hz的頻率進(jìn)行放電，幅值在300μV以上，而沒有光照時(shí)神經(jīng)元表現(xiàn)為靜息狀態(tài)（圖3a-d）。最后，研究團(tuán)隊(duì)通過大鼠的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)展示了該器件對(duì)自由活動(dòng)大鼠的行為進(jìn)行無線調(diào)控的能力（圖3e-f）。

圖3 光刺激下的電生理監(jiān)測(cè)和行為學(xué)實(shí)驗(yàn)

  該團(tuán)隊(duì)提出的多通道植入式柔性光遺傳器件可以實(shí)現(xiàn)多腦區(qū)的光刺激與電信號(hào)監(jiān)測(cè)等功能，為研究神經(jīng)回路、大腦機(jī)制和神經(jīng)系統(tǒng)的疾病提供了有力的工具。同時(shí)這種柔性電子器件與光纖結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了多功能的集成，為生物學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的高通量刺激與傳感的創(chuàng)新提供了靈感。

  相關(guān)工作已于12月29日線上發(fā)表于工程科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Small。本文的第一作者為天津大學(xué)精儀學(xué)院碩士研究生于景嫻，通訊作者為黃顯教授。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金(No.61604108)，天津市自然科學(xué)基金(No.16JCYBJC40600)和天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202005925