清華新聞網(wǎng)1月25日電 開發(fā)新型的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，對(duì)單個(gè)神經(jīng)元或者特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的激活和/或抑制，對(duì)于深入理解大腦的運(yùn)行機(jī)理、開發(fā)神經(jīng)疾病治療手段等都具有重要的意義。
大腦是對(duì)氧氣最敏感的器官，腦組織中的氧含量直接影響大腦代謝和功能完整性，氧代謝異常也與顱腦創(chuàng)傷、缺血缺氧性腦病、癲癇、腫瘤等引起的神經(jīng)系統(tǒng)病損密切相關(guān)。與近紅外光譜、功能磁共振等技術(shù)所獲得的血氧信息相比，組織氧分壓與局部神經(jīng)活動(dòng)和代謝過程有著更加密切的聯(lián)系。如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、便捷、原位地監(jiān)測(cè)腦組織氧分壓，并解析其與神經(jīng)活動(dòng)的相互作用關(guān)系，是腦科學(xué)基礎(chǔ)研究和腦疾病臨床診療中的關(guān)鍵問題。近日，清華大學(xué)電子工程系盛興課題組與合作者開發(fā)了一種植入式微型光電探針，可在自由活動(dòng)的動(dòng)物深層腦組織中實(shí)現(xiàn)無線、連續(xù)、實(shí)時(shí)的腦組織氧分壓監(jiān)測(cè)。
圖1.腦組織氧分壓檢測(cè)探針工作示意圖
該研究通過設(shè)計(jì)制備微型薄膜式發(fā)光二極管（LED）和光電探測(cè)器，結(jié)合氧氣敏感的磷光涂層，實(shí)現(xiàn)高度集成的微型植入式光電探針，利用氧氣對(duì)鉑系金屬配合物的磷光猝滅作用實(shí)現(xiàn)氧分壓檢測(cè)。此外，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了微型柔性電路用于無線能量與信號(hào)傳輸，配合氧分壓檢測(cè)探針，實(shí)現(xiàn)全植入式的光電氧分壓傳感系統(tǒng)。
圖2.無線電路設(shè)計(jì)
在體外表征測(cè)試中，該氧分壓檢測(cè)探針測(cè)得的磷光信號(hào)光強(qiáng)隨氧分壓的增加而減小，探針響應(yīng)時(shí)間小于1秒，并且具有高度的氧氣選擇性。以嚙齒類動(dòng)物（小鼠等）為模型，通過微創(chuàng)方式植入動(dòng)物腦部，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物深部腦區(qū)的氧分壓無線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在改變吸入氧氣濃度、頸動(dòng)脈短時(shí)程夾閉、麻醉等情況下探究腦組織氧分壓的變化規(guī)律。此外，在電刺激小鼠海馬腦區(qū)誘導(dǎo)癲癇的模型中，測(cè)得了癲癇放電之后海馬、皮層等不同腦區(qū)顯著的乏氧狀態(tài)與氧分壓波動(dòng)；與電生理記錄結(jié)合，同步監(jiān)測(cè)癲癇過程中的神經(jīng)電活動(dòng)與局部組織氧分壓變化， 探索了氧氣在腦神經(jīng)異常活動(dòng)過程中的作用與機(jī)理，以及局部神經(jīng)活動(dòng)與氧代謝的耦合規(guī)律。這種無線、實(shí)時(shí)、原位、精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)腦組織氧分壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，為深入探索氧代謝過程與神經(jīng)活動(dòng)以及腦疾病狀態(tài)的關(guān)系提供了有效的工具。
圖3.無線氧分壓檢測(cè)系統(tǒng)在改變吸入氧、頸動(dòng)脈結(jié)扎等狀態(tài)下測(cè)試動(dòng)物腦組織氧含量變化
圖4.無線氧分壓檢測(cè)系統(tǒng)在小鼠癲癇放電狀態(tài)下檢測(cè)海馬區(qū)的氧含量動(dòng)態(tài)變化
該研究成果近日以“一種用于監(jiān)測(cè)深層腦組織氧含量的無線光電探針”（A Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue）為題，發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊。清華大學(xué)電子系、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院盛興，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國光，北京理工大學(xué)光電學(xué)院丁賀為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)電子系博士生蔡雪、北京理工大學(xué)光電學(xué)院碩士畢業(yè)生張海艦、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院副教授魏鵬虎和博士生劉全磊為論文共同第一作者。合作者來自清華大學(xué)電子系、材料學(xué)院、北京理工大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、中央民族大學(xué)等單位。該研究得到北京市基金、國家自然科學(xué)基金、科技部等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y
供稿：電子系
編輯：李若夢(mèng)
審核：王曉霞
