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编者的话：这是我和合作者合写的一篇综述性文章。从我的角度看更多的是观点性的。纳米尺度的神经调控其实刚刚开始。这里提到的纳米神经界面是基础和前提技术。和神经科学中的分子生物学技术具有一定“黑箱性”相比，纳米神经技术是从生物物理和纳米技术角度提出的。纳米神经调控强调的是过程的时空可操控性。
纳米神经界面（1）-引言和组件介绍
理解神经系统的工作原理一直是现代生物医学研究的主要目标之一。大脑是一个高维度的功能网络，包含了上千亿个神经单元（人类），神经元们通过建立本地的和远程的神经连接，驱动大脑中各功能中心的信息处理并且建立了跨系统的通信网络。哺乳动物大脑的复杂性来自三个重要现象。首先，脊椎动物大脑的高维度为神经科学研究制造了一个“大数据问题”。其次，神经元的亚细胞结构跨越各种长度范围，例如突触只有几十纳米，轴突投射可以有几厘米甚至上百厘米，涉及纳观到宏观的跨尺度监测。而且，还有上千亿个称为胶质细胞的非神经元驻留在大脑中，通过尚不清楚的机制调节神经活动。纳米尺度神经界面的重要性
纵观神经科学发展史，纳米尺度的神经界面研究和神经科学的突破与技术进步是息息相关的。例如，生物电现象早在1790年代就由Luigi Galvani开始探索，但直到20世纪中叶电生理学的出现，才建立了膜兴奋性和离子通道的理论。最近研发的用于神经调控的新分子工具提供了控制特定神经元类群活动的能力，可以用来分析特定神经环路与行为之间的关系。然而，目前我们对脑功能仍然缺乏了解，预防和治疗神经系统疾病的能力也还很有限，部分原因是缺乏能够在全尺度时空范围内探测神经系统的精创工具。当前，神经外科医生依靠笨重的植入式金属电极探查癫痫发作源，治疗帕金森症以及刺激受伤后的神经生长。这些电极的尺寸远大于单个细胞体和神经纤维，会刺激到周围大范围的神经组织并产生不良的副作用。此外，庞大的微电极的机械插入过程以及在颅骨内的微移动会导致免疫激活和胶质疤痕形成。胶质细胞逐渐包裹住电极，引起周围神经元萎缩移位，不但会降低电极的性能，甚至会改变电极附近的神经网络结构和功能。在庞大需求的推动下，多国政府和私人机构以及科研界都在神经技术方面加大了投入。例如，美国、欧盟和中国的脑计划都投入了数十亿美元。其中的很重要的方向是开发新技术，构建无缝集成的脑机接口系统，在进行自由社会活动的人脑中读写神经信号（图1a），以及发展定制化的电子医疗技术。
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图一
纳米生物材料具有克服当前技术局限（图1a）并以前所未有的时空尺度连接神经系统的潜力。首先，纳米器件的使用可以使电极触点更紧密地排列在一起，提高电生理信号获取和神经调控的空间分辨率。此外，考虑到弯曲刚度与材料厚度的立方成正比，硬质材料的特征尺寸达到纳米级后将变得柔软，柔韧，可拉伸且具有更高的生物相容性（图1a–c），并减少大脑组织与工程材料之间的机械失配性。因此，虽然可植入设备的总体尺寸仍保持在宏观水平，但是模仿神经组织的结构和机械特性的纳米组件是可以与脑组织无缝集成的，而且不会被免疫系统识别。有多个证据表明，当植入由纳米级机械顺应性组件制成的器件时，神经组织的胶质细胞激活和瘢痕的形成都很弱。（图1b， 右）。此外，器件缩小到纳米级可以产生新的物理特性使器件性能得到改善，部分原因是化学，机械，热和静电能都在纳米级上收敛（图1c），能促进不同能量形式间的转换。例如，已经报道了原子级厚度的纳米材料可以收集Wi-Fi波段的电磁辐射能，这样可以使用日常电子设备为神经植入物供能。此外，纳米结构还显示出尺寸和形状依赖的等离子和光致发光，超顺磁性，增强电子特性和生物活性的形貌特征，这些都可用于神经交互（图1d）。能量适配（图1c）和纳米新特性的出现（图1d）会产生用笨重的传统材料和器件无法实现的新的神经传感和刺激模式。纳米材料和器件可以进行局部神经信号探测。纳米级的分子机器是在神经元的胞膜和细胞器（表1）等非常拥挤的环境下进行运转的（图1e）。例如，突触传递过程是通过细胞和生物分子之间的相互作用以及神经元胞膜的电学性质和活动完成的（图1e）。而周围的局部微环境（包括紧密相关的胶质细胞，细胞外基质和附近的神经元）是如何影响神经通讯的，仍然需要深入研究。研究工具在空间分辨率上的提升以及在细胞/亚细胞靶向性的提高都会起到很大的促进作用。此外，神经元在树突上接受突触输入，局部兴奋性和抑制性输入的总和的积分结果使静息电位产生偏离。虽然在大多数神经元中动作电位在轴丘产生，但树突也能对电信号做非线性转换。此外，生物膜有限的机械张力传播能力也限制了细胞中的信号转导。因此，纳米级工具有望更精确地描述细胞内的多模态信号，可以更好地解释神经元的输入输出关系以及神经元结构的电气和机械异质性（图1f）。而且，如果把纳米器件递送到细胞内，将能够实时监测信号转导复合物和细胞器-包括细胞骨架，线粒体和内质网等（图1e）对神经活动的贡献，有助于我们发展通过调整神经表型的方法治疗神经疾病。
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表1
在发育过程中，神经元们通过分子和活动协同的机制组装成功能网络。大脑执行复杂任务（如信息处理）所需要的多种算法功能是由脑环路中兴奋性突触和抑制性突触的精确组织协调的。例如，视网膜可以作为一种验证神经技术和研究神经康复的模型。光电视网膜假体是能够把光转换为电流来激活视网膜的器件，是一种恢复视力的可能方法。把这种器件缩小到纳米级（图2a中的蓝点）可以进一步增强生物界面的特性，并且可以提供神经信号的监测功能。例如，可注射的网状纳米电子器件可以对清醒动物的单个视网膜神经节细胞进行长期记录，这是传统设备无法实现的。最近，基于上转换纳米颗粒（UCNP）的可注射自供电近红外（NIR）纳米天线与光感受器结合，将近红外光转换为短波长光，使哺乳动物的视觉光谱扩展到近红外范围。
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图2
脑结构和神经信号（表1）具有复杂性，多尺度性和高度关联性，并且受胶质细胞和细胞外基质等非神经元因素的调节。一个多世纪以来，科学家一直靠细胞培养法（图2b–d）来简化研究特定细胞类型。虽然神经元的原代培养可以跳过神经元发育和细胞极化过程，但很多已知的调节神经元组织，突触形成和环路发育的关键外在因素和信号都被忽略了。微加工和干细胞生物学的进步发展了新的离体模型系统，该系统也有助于神经科学纳米级工具的表征（图2b–d中的蓝点）。例如，在弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）微芯片中培养未成熟的神经元，可以通过通道和腔室对细胞外化学环境进行时空控制（图2b）。类似的方法可以用来研究神经元类群之间突触的形成以及神经元与胶质细胞之间的关联作用（图2b）。纳米器件可以与这些微流控系统结合，研究轴突发生，髓鞘形成和突触生成。近年来，三维培养类脑器官这种可以克服二维原代细胞培养局限性的离体培养技术蓬勃兴起。例如，神经元组装成的皮质球体（图2c）自组织水平较高，类似正在发育的新皮层，而且对深层和浅层皮层的生物标志物都有表达。因此，源自人类诱导的多能干细胞（hiPSC）的神经球体可以更真实地反映人脑的生理活动，并且有潜力成为研究神经精神疾病病理发展的神经模型。将含有不同神经元类群的组织捏合在一起（图2c）可以研究突触发生过程中自我和非自我神经突间的吸引和排斥作用以及它们如何建立特异性连接的。在这个过程中，纳米器件可以用来探测局部的生物电信号。hiPSC中分化生长出的类脑器官已经成为研究大脑发育的热门模型。纳米器件可以在神经分化过程中与类脑器官通讯，帮助科学家了解生物电信号如何在大脑发育中出现的以及神经网络在发育过程中如何转换活动状态的。当前用于单神经元精度信号监测的工具包括拉制的玻璃微电极或像犹他电极和密歇根电极的多电极阵列。由于它们有较大机械侵入性以及信噪比持续下降的问题，目前的研究集中在微型化以及与脑组织无缝整合的方向上。基底结合的晶体管。半导体纳米结构具有多种多样的物理特性，可扩展的制造工艺和良好的生物相容性，已经成为下一代神经界面材料。特别是，纳米场效应晶体管（nanoFET）的性能不取决于器件阻抗，而且可以缩小到10纳米以下，有望替代传统器件。与神经科学应用相关方面，相对于大个器件，纳米场效应管沟道中的载流子更容易被神经信号耗尽（或调制），因而具有更高的电压灵敏度（图1d）。此外，场效应管的固有延迟时间较短，可以对神经信号有较快的响应速度。目前已经发展了多种类型的纳米场效应管。这些纳米场效应管可以作为点状探测器用于细胞膜电位和胞外电场的监测。基底结合的电极。降低金属电极的电阻抗和提高电荷注入能力的常用策略是引入粗糙度，孔隙率或其他纳米结构来增加表面积（图1d）。在过去的十年中，在金属电极小型化和纳米结构化方面已经开发了多种工程方法。![]()
图3
首先一步重要成果是实现了细胞内或类细胞内记录（图3b）。例如，蘑菇状的贵金属电极通过细胞内吞后，可以检测细胞内信号。垂直的金属纳米柱、纳米管和包被金属的半导体纳米线在电穿孔后可以进行细胞内记录和刺激。金纳米管在近红外激光脉冲照射下可对细胞局部穿孔（即在膜中形成孔），也能在神经元中进行胞内记录。类似的，铂金属的纳米多孔（50-200 nm）薄膜可以设计成超灵敏电极，可以在光声穿孔后记录和刺激细胞膜。其次，在柔性甚至多孔聚合物基底上加工纳米结构电极阵列实现机械兼容的2D或3D界面方面已经有了相当大的进步（图1a, 3b）。除了3D网格纳米电子器件外，还出现了纳米电子线。最后是将神经电极整合到其他器件平台（例如微流控系统）中的集成方法也得到了发展。例如，悬挂在微流控通道壁上的金属纳米电极（纳米豆）可以用在小动物身上研究神经肌肉信号转导。独立的有机纳米结构。我们很想对纳米结构进行不受限制的操作，使这些材料可以作为独立器件通过记录或局部刺激的方式与细胞进行无线通讯（图3c）。经过合理设计加工的纳米生物材料可以具有亚细胞通讯的理想性质，因为它们在生物中天然存在，具有纳米尺度的特征尺寸和自组装功能。例如，将反应域和功能模体整合到自组装的DNA纳米结构中可以制造具有感应和驱动功能的器件，比如用在离子类型传感器，基于荧光共振能量转移的溶酶体传感器以及药物传递载体中。其他形式的纳米结构生物材料，例如呈肽链的纳米结构、外泌体和细菌气体囊泡等已开始用作生物探针。尤其是气体囊泡（通常是宽度为45–250 nm，长度为100–600 nm的充满气体的蛋白壳腔室）可以帮助空化中心将声能转换为机械力或提高功能性超声成像的分辨率。最后，除了聚合物纳米结构，设计成转子、助行器和保持架的合成分子机器能将光能转换为机械动作，可以在脂质双层中产生可逆或不可逆的开口。独立的无机纳米结构。光、声和磁刺激都是非侵入性的神经刺激方式。这类方法的共同不足是空间分辨率不高，缺乏靶向选择性，需要较高功率密度，有较大几率的脱靶效应。另一方面，无机纳米材料能够利用能量，将其转换为有生理作用的刺激，且可以将作用集中在亚细胞结构上（图3d）。例如，金纳米颗粒和多孔硅纳米结构产生的光热效应可以调节神经活性。同轴p–i–n 硅纳米线或多层硅膜产生的光电化学电流可以无线激活神经活动。上转换纳米颗粒和荧光纳米金刚石可用来提供近红外视觉以及进行神经调控，而且可以辅助做神经元内物质运输的可视化。无线神经刺激和遥感的其他例子有使用产热或产力的超顺磁性纳米粒子进行离子通道调控。这些磁性纳米粒子在静磁场下会产生局部力，在低射频交变磁场中则通过弛豫过程放热。最后，量子点可以通过量子限制斯塔克效应作膜电位的光学指示剂。
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