0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

同时进行神经记录和化学传递的多功能探针

MEMS 来源:MEMS 2023-01-11 10:40 次阅读

哺乳动物的中枢神经系统由各种类型的神经元组成。要想了解神经回路活动和大脑功能之间的联系,需同时记录和操控大脑中特定类型神经元活动。在过去几年中,人们开发了各种集成记录和刺激单元的多功能神经探针。该神经探针提供了一个强大的平台,可同时监测神经元的活动及其对控制良好的刺激的反应。

据麦姆斯咨询报道,近日,国家纳米科学技术中心中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室的王晋芬、方英、李红变三位研究员在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Recent developments in multifunctional neural probes for simultaneous neural recording and modulation”的综述论文,概述了多功能神经探针的最新发展,多动能探针允许通过不同的方式(包括化学、电和光学刺激)同时记录和调节神经活动。研究人员重点关注了多功能神经探针的材料和结构设计,以及它们与神经组织的接口。最后,他们讨论了多功能神经探针的前景及存在的挑战。

同时进行神经记录和化学传递的多功能探针

神经调节剂给药在医学上被广泛用于调节神经活动和治疗神经疾病。然而,该技术不能记录神经活动对神经调节剂的反应,因此缺乏体现神经调节剂作用的能力。为了解决上述问题,研究人员将药物递送系统与记录电极集成,实现同时递送神经调节剂和监测神经活动。

最初的工作是将微流控通道整合到神经探针中,以将神经调节剂局部递送到目标大脑区域。例如,Shin等人通过将3入口聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控器件与硅基神经探针集成,开发了一种多功能神经探针(图1a)。为了实现来自不同入口的药物的快速混合,他们在微流控器件中加入了交错的人字形混合器,用于将多种药物混合并递送到大脑。该多功能探针允许实时记录神经活动对神经调节剂的反应。

c289275e-9004-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图1:化学传递的神经调节活动

用于神经记录和电刺激的多功能神经探针

电极的刺激效率由其电荷注入容量(CIC)决定,CIC是可注入脑组织而不会在刺激电极表面引起任何不可逆化学反应的电荷量。此外,赝电容导电聚合物,如聚吡咯(PPy)和EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩单体)聚合物(PEDOT),也被用作涂层,以改善刺激电极的电荷注入容量(图2a)。

引入这些粗糙层可以增加刺激电极的有效表面积,从而提高刺激电极的CIC。改善CIC的另一种策略是通过刺激电极的结构工程。例如,已经开发的由碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维和多孔铂(Pt)纳米棒阵列组成的刺激电极,与平面电极相比,表现出更高的刺激效率(图2b)。

此外,研究人员还开发了用于电刺激的纤维电极,如石墨烯纤维和碳纳米管纤维。这些纤维上的大量纳米褶皱可显著增加其有效表面积,从而提高刺激效率。此外,基于纤维刺激电极的小型横截面积也减少了对脑组织的创伤性植入损伤。

c295eb7e-9004-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图2:提高电荷注入容量(CIC)的涂层和结构化刺激微电极示例

同时进行神经记录和光学调制的多功能神经探针

光遗传学可以在行为动物的特定类型细胞中实现毫秒级神经调节,并极大促进了研究人员对神经回路功能的认知。在光遗传学中,编码光激活离子通道/泵的基因,即视蛋白,在特定类型的细胞中表达。当吸收合适波长的光时,这些离子通道/泵打开,并允许钠离子(Na⁺)或氯离子(Cl⁻)流入,导致神经元去极化(激活)或超极化(沉默)。

该综述讨论了用于电生理记录和光遗传学调制的多功能神经接口,同时讨论了基于深度电极的记录/光调制接口与各种光传输单元,包括光纤、LED、上转换纳米颗粒(UCNP)和热拉伸纤维。

c2ed41d0-9004-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图3:用于光遗传刺激的透明皮质电描记术(ECoG)电极示例

c2fd889c-9004-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图4:使用光纤和MicroLED的光调制/记录接口示例

基于光纤的多功能神经探针

多功能光纤探针已被证明可用于低侵入性神经活动记录和调节。例如,Canales等人通过热拉伸工艺开发了一种全聚合物纤维探针,用于结合光学刺激、药物递送和神经记录。多功能光纤由聚碳酸酯(PC)波导、环烯烃共聚物光限制层、额外的聚碳酸酯封装层和导电聚乙烯记录电极组成(图5a)。

聚碳酸酯波导被导电聚乙烯记录电极和用于药物递送的微流控通道包围。由于其小截面,多功能纤维探针引起脑组织的炎症反应较小,并允许对自由活动的转基因小鼠进行为期超2个月的光遗传学刺激/电记录。

c31419e0-9004-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图5:基于光纤的多功能神经接口示例

总之,多功能神经探针极大地促进了人们对大脑功能的认识。本文综述了具有不同神经调节方式的多功能神经探针的研究进展,包括化学刺激、电刺激和光遗传学刺激。尽管在多功能神经探针方面取得了实质性进展,但仍有巨大挑战亟需解决,包括:

(i)现代多功能神经探头主要由具有相对较大体积的刚性刺激单元(例如微流控和光纤)组成。刺激单元的刚性和大体积会导致大脑组织损伤和炎症反应加剧,这限制了这些多功能探针在漫长研究中的使用。因此,开发机械顺应性和微型多功能神经探针是当务之急,该类探针可用于长期稳定的神经记录和调制。

(ii)现代神经调制技术在单神经元分辨率下实现类型特异性调制仍然具有挑战性。例如,光遗传调制和化学调制可以实现细胞特异性调制,但由于光传播或化学扩散,空间分辨率受到限制。因此,开发具有高时空分辨率和细胞特异性的新型神经调节技术是非常有意义的,尤其是对于神经回路机制的研究。

(iii)神经调节,包括电刺激和光刺激,可导致神经元周围微环境的变化,包括温度和pH值。因此,需要将多功能神经探针与其它功能集成,如温度监测器和pH传感器

解决这些挑战不仅依赖于神经接口的材料和结构优化,还依赖于材料科学、电子、机械工程和神经科学的科学家和工程师的多学科科学合作。






审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • CIC
    CIC
    +关注

    关注

    0

    文章

    7

    浏览量

    7829
  • PDMS薄膜
    +关注

    关注

    0

    文章

    20

    浏览量

    2105
  • 微流控器件
    +关注

    关注

    0

    文章

    33

    浏览量

    3174

原文标题:综述:同时进行神经记录和调制的多功能探针的最新进展

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    神经元是什么?神经元在神经系统中的作用

    神经元,又称神经细胞,是神经系统的基本结构和功能单位。它们负责接收、整合、传导和传递信息,从而参与和调控
    的头像 发表于 07-12 11:49 928次阅读
    <b class='flag-5'>神经</b>元是什么?<b class='flag-5'>神经</b>元在<b class='flag-5'>神经</b>系统中的作用

    生物神经元模型包含哪些元素

    进行信息传递神经元的基本结构包括以下几个部分: 1.1 细胞体(Soma):细胞体是神经元的中心部分,包含细胞核和其他细胞器。细胞体的主要功能
    的头像 发表于 07-11 11:21 817次阅读

    神经元的分类包括哪些

    神经元是神经系统的基本功能单位,它们通过电信号和化学信号进行信息传递和处理。
    的头像 发表于 07-03 11:36 998次阅读

    神经元的结构及功能是什么

    神经元是神经系统的基本结构和功能单位,它们通过电信号和化学信号进行信息传递和处理。
    的头像 发表于 07-03 11:33 1002次阅读

    神经元的信息传递方式是什么

    神经元是神经系统的基本单位,它们通过电信号和化学信号的方式进行信息传递神经元的信息
    的头像 发表于 07-03 11:27 1035次阅读

    如何使用神经网络进行建模和预测

    输入信号,对其进行加权求和,然后通过激活函数进行非线性转换,生成输出信号。通过这种方式,神经网络可以学习输入数据的复杂模式和关系。 神经网络的类型
    的头像 发表于 07-03 10:23 665次阅读

    新华社:突破性成果!祝贺我国科学家成功研发这一传感器!

    感器,是脑科学研究和脑机接口中的核心技术。 北京大学研究人员通过技术创新成功研发一种高密度、高通道的神经探针, 在国际上首次实现对猕猴大脑全深度、高通量神经元活动的记录。 其单根
    的头像 发表于 06-27 18:03 429次阅读
    新华社:突破性成果!祝贺我国科学家成功研发这一传感器!

    咳嗽检测深度神经网络算法

    了增强。(i) 如果同时记录两次咳嗽,可以通过分析咳嗽的开始和结束时间来进行检测。在这种情况下,为了高精度,我们必须考虑持续时间最长的咳嗽。(ii)通过比较第k次咳嗽的时间和(k+1)次咳嗽来检测咳嗽
    发表于 05-15 19:05

    【SPEA飞针应用】半导体探针卡测试

    探针卡是晶圆功能验证测试的关键工具,通常是由探针、电子元件、线材与印刷电路板(PCB)组成的一种测试接口,主要对裸die进行测试。探针卡上的
    的头像 发表于 05-11 08:27 700次阅读
    【SPEA飞针应用】半导体<b class='flag-5'>探针</b>卡测试

    使用多功能数显表的步骤 使用多功能数显表的注意事项

    多功能数显表是一种集成了多种测量功能的电子测试仪器,它能够测量电压、电流、电阻、温度、频率等电气参数。
    的头像 发表于 05-09 16:36 1819次阅读

    电路板测试之探针间距

    探针间距是指在电路板测试过程中,探针之间的中心到中心距离。在理想情况下,电路板应使用行业标准的100mil弹簧探针进行测试。
    的头像 发表于 04-26 16:07 977次阅读
    电路板测试之<b class='flag-5'>探针</b>间距

    TSMaster如何同时记录标定变量和DBC信号至BLF文件

    客户在使用TSMaster软件标定功能时,有如下使用场景:将DBC文件中的信号与A2L文件中的标定变量同时记录在一个记录文件。针对此应用场景,TSMaster软件提供了一种方法来满足此
    的头像 发表于 03-25 08:20 634次阅读
    TSMaster如何<b class='flag-5'>同时</b><b class='flag-5'>记录</b>标定变量和DBC信号至BLF文件

    TSMaster 总线记录功能操作指南

    功能模块,本文主要针对总线记录模块的记录功能操作,记录文件配置,并结合总线记录常见的使用需求
    的头像 发表于 03-05 08:21 645次阅读
    TSMaster 总线<b class='flag-5'>记录</b><b class='flag-5'>功能</b>操作指南

    安科瑞多功能电力仪表设置仪表脉冲常数教程

    多功能电力仪表
    jf_55193456
    发布于 :2024年02月02日 15:14:30

    多功能测试探针电路原理图

    该电路仅包含两个集成电路 (IC),通过执行三种不同的测试功能(可通过开关 S1 选择)来展示多功能性。 IC1a-1c 以时钟发生器为中心,生成频率为 3 Hz 的矩形信号。在开关 S1 的位置 A,T1 利用时钟信号为探头供电。
    的头像 发表于 12-13 18:21 1322次阅读
    <b class='flag-5'>多功能</b>测试<b class='flag-5'>探针</b>电路原理图