生物电子-用作多功能的深部大脑接口的空间可扩展的光纤探头
了解大脑的细胞结构和布线需要改进的方法来记录和刺激具有细胞特异性的大量神经元。这需要在不改变其特性的情况下整合到脑组织的小型神经接口。现有的神经接口技术已被证明可以提供具有高信噪比的高分辨率电生理记录。但是，通过单次植入，这些设备的物理特性限制了它们进入一个较小的大脑区域的通路。
弗吉尼亚理工大学Xiaoting Jia课题组开发了一个平台，该平台通过在螺旋形支架中导向的基于多功能纤维的多部位多功能神经探针提供三维的脑组织覆盖。来自可空间扩展的纤维探针的长期记录证明，这些纤维探针能够以较长的观察时间以单个单位的分辨率捕获大脑活动。此外，使用Thy1-ChR2-YFP小鼠，我们证明了我们的探针在同时记录和光学/化学调节远处区域大脑活动中的应用。同样，在癫痫症的小鼠模型中，我们的可定制探针检测到了来自不同大脑区域的不同的电图脑活动，表明使用这些探针来研究诸如癫痫症等脑部疾病的潜力。最终，该技术可以对大脑深部遥远区域的大脑活动进行三维操纵和映射，而对组织的损害最小，这可以为在不久的将来破译复杂的大脑功能和动力学带来新的见解。
图1：深度依赖型多功能光纤探头。制备的过程，形态和性能。
图2：可空间膨胀的多功能光纤探头。
图3：空间扩展的功能性纤维探针的自发活动研究。
图4：同时进行多点光遗传学刺激，电记录和药物输送。
图5：多点记录感染诱发的癫痫的小鼠模型中各个大脑区域的癫痫发作活动。
图6：功能性纤维探针（F1）和不锈钢丝的生物相容性研究。
作者介绍了空间可扩展的多功能纤维基探针的开发和应用，该探针可用于在深部大脑的远距离区域绘制和调节大脑活动。沿单根光纤的多站点多功能接口是使用飞秒激光微加工技术创建的。此外，螺旋支架纤维与多功能纤维阵列的集成将基于纤维的神经探针的功能从1D单站点界面扩展到3D多站点脑界面。这些探针提供了一个强大的平台，用于记录局部的尖峰活动和场电位，并在间隔较深的大脑区域进行活动的光遗传学和化学调制。 而且，作者设计的可定制光纤探头也很容易与商业EEG设置兼容，从而使其能够在TMEV感染的癫痫发作模型中检测感兴趣的大脑区域中的多个病灶和不同的大脑活动。今后，期待作者可以探索这些在空间上可扩展的基于纤维的探针中更高密度的电极以及光学或化学界面部位，以实现更大的记录或刺激样品。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19946-9
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