皮质内探针因其记录单神经元神经活动的能力而成为神经科学研究中不可或缺的工具，传统硬质探针（如硅材料）因刚度远高于脑组织，导致慢性炎症反应，影响记录质量。尽管柔性探针减少了炎症，但是柔性探针的极度柔韧性使其在植入大脑期间容易弯曲和扭曲，难以稳定插入。最成功的策略是将探针连接到可移动的梭子或用可生物降解的层涂覆它们来暂时加固探针。然而，梭子或涂层的尺寸通常比柔性探针本身的尺寸大得多，这导致植入时严重的急性组织损伤。
浙江大学Jizhou Song课题组与Yaoyao Hao课题组合作报道了一种基于形状记忆聚合物的自适应且可部署的鱼骨状探针设计。 探针在植入时具备刚性，插入后会软化，与脑组织柔软性相匹配，并通过鱼骨状分支结构展开，有效增加记录范围，可以在长期植入过程中可靠地检测和跟踪单个单元数月，并具有稳定的阻抗和信号幅度。
图1：机械自适应且可展开的皮质内探头总览。(A)机械自适应和可展开皮质内探头的设计和原理示意图。（i）具有可折叠分支元件的鱼骨状主干结构。(ii) 探头的折叠配置。(iii)折叠探针直接插入脑组织，占地面积最小。(iv)当探针被加热到体温时逐渐软化，并且分支恢复到其初始位置，将微电极展开到扩大的分布。这些元素并未按比例绘制。(B)分解图展示了探头的层状结构。完全组装的探针由（从上到下）5μm厚的SU-8顶部封装层、100nm厚的金（Au）互连和电极、5μm厚的SU-8底部封装层组成 ，以及70微米厚的SMP基板。(C)扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示所制造探针的分支结构。（D）光学图像显示探针在折叠状态下的配置 (i) 并在 65 °C 的温度下部署 60 秒（ii ）。(E)演示探针处于刚性状态，穿透大脑模型（0.6 wt% 琼脂糖凝胶）并保持平坦配置。(F)演示探针处于软状态，在成功刺入之前，探针具有柔韧性并在大脑模型表面表现出屈曲。
图2：机械自适应和可部署皮质内探头的机械和电气特性。(A)在 37 °C 生理盐水中浸泡不同时间后，SMP 的储能模量和正切 δ 作为温度的函数。(B)37°C 下 SMP 储能模量随浸泡时间的变化。(C)SMP 玻璃化转变温度随浸泡时间的变化。(D)光学图像描绘了具有窄缝的丙烯酸环，建议提供准确且稳定的压缩力。(E)丙烯酸环上狭缝的光学图像，该狭缝比探针的展开宽度窄 (i)，被拉伸至加宽约 3 mm (ii)，随后在弹性后沿主干平行折叠分支恢复(iii)。(F) 在部署探针宽度相对变化为 10%、30% 和 54% 的情况下，Au 互连和电极内最大主应变分布的可视化。(G)Au 互连线和电极中的最大主应变随部署探针宽度的相对变化而变化。(H)连续快照描绘了 37°C 大脑模型中的部署过程。(I) 在 30 °C/37 °C 盐水和 37 °C 脑模型中展开过程中，折叠探针宽度随时间的相对变化。(J)电极在折叠和展开状态下的电化学阻抗谱 (EIS) 测量。 (K) 在 50 个疲劳测试循环过程中监测的电极在 1 kHz 时的阻抗。
图3：大鼠皮层神经信号的长期体内记录和分析。(A)通过直接插入实现将刚性和折叠状态的探针植入大鼠皮层。(B和C) 标记有小胶质细胞（紫色）、星形胶质细胞（红色）、神经元（绿色）和细胞核（蓝色）的冠状（B）和水平（C）脑切片的代表性免疫荧光图像。白色箭头：树枝附近的区域。黄色箭头：靠近骨干的区域。(D) 植入后 185 天由八个电极记录的代表性局部场电位 (LFP)。(E) 代表性高通滤波 (>300 Hz) 自发神经活动，显示植入后 185 天来自八个电极的尖峰信号。(F)从植入后的八个电极185d同时捕获的代表性尖峰波形，与相应电极的布局叠加。(G) 中所示尖峰的代表性尖峰发射光栅。(H)代表性单单元尖峰的尖峰间间隔 (ISI) 分布。(I) 代表性单体的自相关图和互相关图（分别为彩色图和黑色图）。(J)10 个月内不同频率范围内 LFP 的频带功率。误差线表示 95% CI。(K)10 个月期间的噪声水平和峰值幅度。(L)植入大鼠皮层的电极超过 10 个月的体内阻抗跟踪。
图4：长期跟踪来自相同神经元的单位动作电位。(A) 10 周内单神经元动作电位平均波形的时程图。(B) 由同一电极记录的单元 1 和单元 2 的主成分分析 (PCA)，其中点表示中心，椭圆表示 PC 簇的两个 SD。(C) L 比率和轮廓得分显示单元 1 和单元 2 的聚类质量。(D) 单元 1 在 10 周期间的 ISI 分布。(E) 10 周内单元 2 的 ISI 分布。(F) 概述从单个单元动作电位波形提取的特征的示意图。(G–I) 幅度（G 中的红色）、SNR（G 中的蓝色）、持续时间（H 中的红色）、峰谷 (PT) 比（H 中的蓝色）、恢复斜率（I 中的红色）和 六个单单元尖峰的复极化斜率（I 中的蓝色）作为时间的函数。
本文开发了一种开创性的机械自适应和可部署的皮质内神经探针，用于长期神经电生理记录，该探针将 SMP 基板与可折叠分支结构相结合，在克服慢性损伤引起的信号质量下降相关挑战方面表现出显着的优势。这项工作为稳定的神经活动记录提供了一种工具，并为基础神经科学和临床应用创造了工程机会。虽然该探针在稳定性上表现优异，但是进一步提高电极密度有助于记录更细微的神经信号。
【参考文献】
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2403380121
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