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开发新型神经调控技术,对单个神经元或者特定神经网络的活动进行实时、精确地激活和/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。相较于药物等生物化学方法,基于光电信号等物理场的神经调控方式具有无线操控、时空分辨率高、响应快、副作用小等优点,也是近年来脑机接口领域的研究热点。
近日,清华大学电子系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院盛兴副教授,中国科学院深圳先进技术研究院、深港脑科学创新研究院李骁健研究员,北京理工大学汪世溶副研究员作为共同通讯作者,在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上发表了题为:Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities 的研究论文。
该研究使用柔性薄膜单晶硅二极管与神经系统集成,在光照情况下可产生极化电场,对离体和在体的神经信号进行选择性的无线激活和抑制。同时,薄膜硅结构可在生物体内安全降解,具备良好的生物相容性。这种生物友好、非遗传学、可无线远程操作、实现激活-抑制双向光电调控的植入式器件,可为基础神经科学研究和临床应用提供有效的技术支撑。
硅基半导体是信息产业的基石,pn二极管结构作为电子工程的基本单元,被广泛应用于微电子芯片、光电探测与成像、光伏电池等系统中。在生物系统中,当硅基二极管与神经系统的基本单元——神经元进行结合时,其光电特性将如何影响神经系统的活动与功能?
研究团队发现,柔性薄膜硅基二极管结构与神经组织集成时,其在光照条件下,在半导体-溶液界面处产生极化的光生电场,不需引入光遗传学等基因编码工具,即可选择性的激活-抑制神经信号的活动。
图1.可降解硅薄膜二极管产生光电信号激活和抑制神经活动(示意图)
在离体实验中,通过在极性不同的薄膜硅二极管结构(p+n型和n+p型)表面培养背根神经元(dorsal root ganglion,DRG),硅器件的极化光生电场可相应地抬升或降低细胞的膜电位,引起神经元的去极化或超极化,进一步激活或者抑制动作电位的发放,并引起钙活动信号的上升或者下降。
图2.硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制离体神经元活动
通过微纳工艺制备的图案化硅基薄膜器件,可共形贴附在活体生物组织表面,进行在体生物神经信号的远程光电调控。把硅基二极管薄膜包覆于小鼠的坐骨神经节,通过极性依赖的光生电场,可选择性地增强或者减弱小鼠后肢的运动幅度。把硅基二极管薄膜贴附在小鼠大脑皮层上,产生的光生电场也可相应地激活或者抑制皮层的电活动。
图3. 硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制在体神经:(a)调控坐骨神经的激活和抑制活动和(b)调控大脑皮层内神经区域的激活和抑制活动
另外,硅基半导体还具备良好的生物安全性和可降解特性,把硅薄膜器件与可降解的衬底结合,将其包覆在动物坐骨神经或者贴附在大脑皮层上,通过长期实验记录,均可观察到硅薄膜在生物体内的自然溶解和消失过程。这种可降解特性,可避免引入二次手术取出植入物带来的风险,为特定的医疗应用展示了潜在的前景。
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图4. 坐骨神经和大脑皮层上硅薄膜的生物降解性测试
清华大学原博士后黄云翔、北京生命科学研究所博士后崔玉婷、中国科学院深圳先进技术研究院技术员邓汉杰为论文共同第一作者。清华大学电子系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院盛兴副教授,中国科学院深圳先进技术研究院、深港脑科学创新研究院李骁健研究员,北京理工大学汪世溶副研究员为论文共同通讯作者。
原始出处:
Huang, Y., Cui, Y., Deng, H. et al. Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities. Nat. Biomed. Eng (2022). https://doi.org/10.1038/s41551-022-00931-0.
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