清華新聞網8月25日電 8月24日，清華大學電子工程系盛興研究組發表了題為「面向無線光遺傳神經調控與多巴胺檢測的光-電-化學一體化植入式多功能探針」（A wireless, implantable optoelectrochemical probe for optogenetic stimulation and dopamine detection）的研究論文。研究團隊開發了一種可無線操控的、基於微型薄膜光電器件光-電-化學一體化多功能探針，實現對動物深層腦區的光遺傳刺激和電化學檢測。該研究成果能夠實現神經系統與接口設備之間的雙向信息交互，為深入研究神經環路作用機制、破解神經疾病的發病機制等提供了有效的技術手段。論文發表於自然雜誌社和中科院合作出版的《微系統與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊，並被《青年科學家特刊》（Young Scientist Issue）遴選為封面文章。
圖1 期刊封面
相比於傳統的神經科學研究手段（包括電刺激和藥物刺激等），光遺傳學擁有獨特的高時空解析度和細胞類型特異性兩大特點，為神經學領域提供了革命性的研究工具，被廣泛應用於神經科學研究中。除了神經刺激，對神經信號的檢測也是神經科學研究的重要手段。在眾多神經信號中，多巴胺等神經遞質與生物的思想意識和生理行為密切相關，神經遞質的檢測對於揭示神經疾病發病機制具有重要意義。識別神經遞質釋放與神經元刺激之間的關係，對於理解疾病原因和開發精確的治療方法至關重要。
本工作提出了一種基於微型薄膜器件的、無線可植入式、光-電-化學一體化多功能探針（optoelectrochemical probe）的設計思路。利用表面修飾有聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）的金剛石薄膜作為高靈敏度、光學透明、散熱性好的電化學傳感器，同時採用微型發光二極體（micro-LED）作為植入式光源；設計了一套高效的異質襯底集成工藝，實現了micro-LED和電化學傳感器在柔性襯底的堆疊集成，通過對器件封裝優化和散熱結構設計，獲得光-電-化學一體化的多功能植入式探針。同時，開發出與光-電-化學探針相匹配的微型無線控制電路，實現對神經環路的遠程光學調控和電化學數據採集。
圖2 光-電-化學多功能探針示意圖，及其光學、電化學性能測試
體外實驗中，多功能探針的多巴胺檢測極限濃度約0.1uM，散熱結構設計使micro-LED的表面溫升降低50%，滿足生物體內實驗要求。在實驗小鼠的中腦腹側被蓋區（VTA腦區），驗證了多功能探針的光遺傳學刺激和電化學檢測功能。通過無線傳輸系統可以實現對小鼠行為的遠程光遺傳調控，改變動物的位置偏好，同時也成功捕捉到了自發的多巴胺神經遞質釋放信號。在體實驗結果顯示光-電-化學探針具備遠程、實時的光遺傳學刺激和電化學檢測功能。該研究為探索神經元活動與神經遞質釋放之間的關係、深入研究神經環路作用機制提供了技術支持。
圖3 光-電-化學多功能探針的生物在體實驗結果
清華大學電子系副教授盛興為本文通訊作者，第一作者劉長波原為電子系博士後（現於北京航空航天大學任教），合作者包括清華大學機械工程系鄒貴生教授、劉磊副教授課題組，清華大學材料學院副教授尹斕課題組，中科院蘇州納米技術與仿生研究所孫錢課題組等。本工作獲得了國家自然科學基金、北京信息科學與技術國家研究中心、中科院創新交叉團隊等項目支持。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41378-020-0176-9
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：程曦