【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)腦組織中的抑制性神經(jīng)信號(hào)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作，這將有助于推進(jìn)阿爾茲海默癥和癲癇癥等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)理的研究及診療方案的確立。過(guò)程工程所白碩研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合首都師范大學(xué)、北京大學(xué)、北京腦科學(xué)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(duì)非電化學(xué)活性的氯離子(Cl-)實(shí)現(xiàn)了高靈敏、抗干擾、可逆、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)追蹤，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)抑制性神經(jīng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(圖)。該研究為在腦組織內(nèi)實(shí)現(xiàn)非電化學(xué)活性物質(zhì)的追蹤以及抑制性神經(jīng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)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(dòng)物活體腦內(nèi)氯離子的動(dòng)態(tài)追蹤
 

　　抑制性神經(jīng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于理解大腦平衡機(jī)制具有重要意義，能幫助揭示神經(jīng)抑制在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(hào)較弱、復(fù)雜且與興奮性信號(hào)交織在一起，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抑制性神經(jīng)信號(hào)仍然是技術(shù)上的重大挑戰(zhàn)。神經(jīng)抑制信號(hào)的監(jiān)測(cè)可以通過(guò)追蹤參與神經(jīng)抑制過(guò)程的Cl-等關(guān)鍵物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，Cl-在生理環(huán)境下為非電化學(xué)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(yīng)，因此難以在生理環(huán)境下對(duì)其實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，這也限制了抑制性神經(jīng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。
 

　　以電子為信號(hào)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(yīng)，與之不同的離電器件(Iontronics)以離子作為信號(hào)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(shí)，將設(shè)計(jì)的可識(shí)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(jī)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(cè)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(duì)非電化學(xué)活性的Cl-實(shí)現(xiàn)了高靈敏、抗干擾、可逆、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)追蹤。隨后，研究人員通過(guò)將L/L UIs精準(zhǔn)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(guò)在阿爾茨海默模型小鼠的活體腦內(nèi)動(dòng)態(tài)追蹤C(jī)l-，L/L UIs證明了在神經(jīng)抑制過(guò)程中扮演重要角色的鉀-氯-共轉(zhuǎn)運(yùn)體2(KCC2)對(duì)腦內(nèi)的Cl-濃度具有調(diào)控作用。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)可用于人機(jī)交互的凝膠基腦機(jī)接口器件，此前已開發(fā)出兼具導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)腦部興奮性神經(jīng)信號(hào)的高質(zhì)量監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)神經(jīng)性和抑制性信號(hào)有助于深入揭示神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)控機(jī)制，有望為神經(jīng)疾病的早期診斷、個(gè)性化治療及腦機(jī)接口技術(shù)提供關(guān)鍵依據(jù)。
 

　　首都師范大學(xué)講師顧超越、碩士生孔凡鎮(zhèn)，過(guò)程工程所副研究員梁森為共同第一作者，過(guò)程工程所研究員白碩、副研究員梁森，以及首都師范大學(xué)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(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB0520300，第一標(biāo)注)、國(guó)家自然科學(xué)基金(22104095、22074095、22374103、22277121、22307117)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFA0112603)、北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2222005)和北京市教育委員會(huì)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(KM202210028015)的支持。