▷2024/12/19
同萃生材
#高分文献◁
本文导读
神经元活动的记录和调节有助于研究健康和疾病中的大脑功能。
该研究利用材料选择和会聚纤维拉丝神经记录、电刺激、光遗传学、纤维光度测量、药物和基因递送以及单根纤维内神经递质的伏安记录。
这些纤维由聚合物和非磁性碳基导体组成，与磁共振成像兼容，可实现同步刺激和全脑监测。通过与小鼠腹侧被盖区和伏隔核连接并表征兴奋剂药物的神经生理学作用。这项研究强调了这些纤维在机制和转化研究中探测跨多个大脑区域的电、光学和化学信号的潜力。
成果题名：Multifunctional Neural Probes Enable Bidirectional Electrical, Optical, and Chemical Recording and Stimulation In Vivo
发表期刊：《Advanced Materials》
成果介绍
1、POLI 纤维设计和制造
POLI光纤探头是一种集成了六个20 μm直径的CNT纱线电极和一个200 μm直径的PMMA/THVP光波导的多功能光纤，它们都嵌入在聚碳酸酯(PC)绝缘包层中。探头还包括微流体通道和SEBS弹性体薄层，后者有助于将光纤元件连接到后端接口，并允许微流体通道与外部管道连接。制造过程涉及制作一个包含所有组件的宏观预成型件，并通过热拉丝技术形成柔性纤维。最终产品配备了后端接口，包括PCB、流体管和光学插芯，以实现电记录、刺激、光纤耦合和微泵连接。每根光纤都能执行六项功能，整个组件重2.3克，适用于小鼠脑立体定位手术。
图1 POLI 纤维的制造
2、POLI光纤表征
评估了PMMA/THVP聚合物波导在光信号传输中的性能，发现其具有较高的数值孔径（NA）和较低的损耗系数（α），与COC/PMMA相比表现更优，尽管损耗高于二氧化硅纤维，但在实验动物大脑中的衰减是可接受的。同时，研究还评估了POLI光纤中20μm直径CNT电极的电化学特性，发现其具有宽电化学窗口和高电荷注入容量（CIC），远高于其他材料，且能线性响应多巴胺（DA）浓度，具有较低的检测限和定量限，表明CNT电极适用于体内DA浓度的测量。此外，聚合物基纤维的低刚度有望提高与脑组织的机械相容性。
图2 POLI光纤的表征
3、POLI 纤维体内功能表征
POLI纤维被成功植入Thy1-GCaMP6s小鼠的感觉皮层（S1BF），利用其CNT电极进行电刺激，频率为10 Hz和130 Hz，电流在35-215 μA之间，这些参数是神经调控治疗中常见的。实验结果证实了POLI纤维能够同时进行电刺激和光度记录，诱发电活动。此外，POLI纤维还被用于测试多巴胺（DA）的快速扫描循环伏安法（FSCV）记录，在Sprague Dawley大鼠的NAc核心和VTA区域植入POLI纤维和双极不锈钢电极后，通过电刺激VTA区域，观察到NAc核心中DA浓度的显著释放。CNT电极因其对DA和其他正电荷神经递质的优先吸附能力，减少了生物污染的影响，保持了对这些分析物的敏感性。这些发现表明POLI纤维在电生理学研究和神经调控领域具有潜在的应用价值。
图3 POLI 纤维功能的体内验证
4、POLI 纤维作为评估奖励回路中药物诱导扰动的工具
研究人员将ChrimsonR视蛋白通过AAV9载体递送到小鼠VTA区域，并在14天后进行了电生理和光度记录实验。他们发现VTA神经元放电先于NAc区域dLight1.1荧光变化，并通过POLI光纤成功进行了光遗传学刺激。电刺激VTA神经元后，可卡因给药导致NAc区域DA释放的dLight1.1信号衰减变慢，表明DA再摄取受阻。直接电刺激NAc区域也观察到类似效果。实验证明了POLI纤维在多模态刺激和记录方面的有效性，能够记录电生理活性和DA释放，且电刺激引发的DA释放更为显著。
图4 用 POLI 纤维探测中脑边缘 DA 动力学和药物诱导的扰动
总
结
本研究开发的POLI光纤是一种多功能神经探针，能够进行光学成像、电生理记录和化学检测。该光纤具有低损耗和高数值孔径，适合监测神经活动和多巴胺变化。CNT电极的集成使其能够进行电刺激和检测。POLI光纤的柔韧性允许其植入大脑关键区域，监测VTA-NAc回路，揭示了可卡因对多巴胺系统的影响。这一集成平台为神经科学研究提供了新的工具。
文章来源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408154
点击文末左下角 “阅读原文”可快速跳转至原文文献！
点击关注公众号，获取更多选题推荐及前沿热点资讯
咨询合作 & 科研服务
项目合作、咨询及科研服务（纳米、凝胶、微针、生信分析、临床研究）可联系戚老师或周老师~
戚老师 17521512675
周老师 19370757002
入群交流
围绕纳米、水凝胶、微针等生物材料在医学领域的应用，同萃创化也建有“学术交流群”，添加右侧微信即可入群交流啦！
关于我们
读完有所收获，请点击“关注”、“分享”、“在看”、“点赞”图标，支持下创化的内容创作，让我们为更多的科研工作者、科室专家朋友们分享前沿热点资讯~
分享、在看、点赞
快来戳我看看吧
