方英课题组在大脑神经调控与读取技术取得新进展

shanbian

近日，国家纳米科学中心方英研究员及其团队在高精度神经调控与读取技术取得新进展,相关论文“Self-assembled multifunctional neural probes for precise integration of optogenetics and electrophysiology”（《自组装多功能神经电极用于高精度光遗传调控与神经记录》）发表在Nature Communications, 2021, 12, 5871。
　　脑科学的核心目标是解析神经电活动如何控制大脑的功能以及脑疾病的神经机制。要实现这些目标，需要精准调控与读取特定神经环路的电活动信息。其中光遗传与多通道电生理记录联用技术，可以实现对神经元电活动的高时间分辨率调控与读取，在神经功能环路解析和脑疾病机制研究中均具有重要意义。然而在传统方法中，由于光刺激范围与电极记录范围在空间上存在一到两个数量级的差别，导致神经元电活动功能归属模糊，给神经环路的高精度解析带来了困难和挑战。
　　国家纳米科学中心方英课题组长期致力于发展大脑神经信息分析新技术及其在脑功能解析和脑机接口领域中的应用。前期，课题组利用微纳加工技术和生物相容性纳米材料，发展了一系列新型柔性神经电极技术，包括可注射式柔性神经电极（Nature Nanotechnology, 2015, 10, 629）、基于石墨烯和碳纳米管的柔性全碳神经电极（Nano Letters, 2017, 17, 71）、以及高密度柔性神经流苏电极（Science Advances, 2019, 5, eaav2842）等，为长期稳定读取大脑神经电活动提供了重要的工具。

　　图1：（a）多功能柔性神经电极的自组装示意图；（b）大脑中基因载体的精准递送

　　在前期研究的基础上，方英课题组近期构建了一种多功能柔性神经电极技术，同步实现了大脑中基因载体的精准递送、长期光遗传学调控和神经电生理记录。利用化学家非常熟悉的弹性毛细自组装原理，研究人员将高通量柔性神经电极和光导元件在含有光遗传基因载体的聚合物液体中进行自组装，得到了体积只有纳升级别的多功能柔性神经电极。研究发现，多功能柔性神经电极能够实现基因载体在电极-神经界面的高效递送和表达。基于此，研究人员利用多功能柔性神经电极将光遗传蛋白精准表达在电极-神经界面100微米范围内，从而确保了光遗传调控神经元集群和电生理记录神经元集群的高度空间一致性。进一步利用柔性神经电极良好的生物相容性，实现了对大脑神经元电活动长达三个月以上的稳定读取与调控。

　　图2：（a）柔性神经电极；（b）多功能柔性神经电极；（c）电极-神经界面的精准基因递送和表达；（d）大脑中同步神经读取与调控；（e）精准神经读取与调控示意图

　　多功能柔性神经电极技术能够同步实现大脑中基因载体的精准递送、光遗传调控和长期神经电生理记录，因此在神经环路的精准解析和脑机接口等领域具有重要的应用前景。该论文第一作者是国家纳米科学中心的博士研究生邹亮和助理研究员田慧慧，通讯作者是方英研究员。该项研究得到中科院战略性先导科技专项（B类）“脑认知与类脑前沿研究”、国家自然科学基金重大项目“帕金森综合症的神经分析化学基础研究”和国家自然科学基金国际（地区）合作交流项目“超薄柔性神经电极用于古老脑的编码机制研究”的支持。
　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26168-0。


       文章来源：国家纳米科学中心
       方英，2002年毕业于中国科学技术大学获学士学位。2004年6月、2007年6月先后在美国哈佛大学获得硕士、博士学位，导师Charles M. Lieber教授，其后在哈佛大学从事博士后研究工作。2008年2月开始在国家纳米科学中心工作，现任研究员、博士生导师。
当前的研究重点是纳米器件在溶液中的生物检测技术，并使之应用化。这是一个多学科交叉的前沿研究领域，涉及微纳米电子器件的设计加工和低温表征、纳米材料的表面化学修饰，及其溶液中电性能测量等。纳米材料的选择涉及硅纳米线、碳纳米管、及单层石墨。开展的另一个研究方向是利用纳米孔进行DNA测序和DNA二级以上结构的测量。