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  光纖作為一種常見的光導器件，已經被廣泛應用于通信、物理化學傳感等領域，高效地利用它的表面積或許就能實現更多功能的集成，然而它彎曲的表面使得與其他電子元件的集成極具挑戰性。在生物醫學領域，相比于分離式的光纖與電極系統，利用光纖自身與光纖表面進行刺激與感測，就能夠實現植入物尺寸最小、 對組織的損傷最小。

  鑒于此，天津大學生物醫學柔性電子實驗室黃顯教授結合柔性電子技術的研究背景，提出了一種新型的用于多腦區光刺激與生理監測的多通道植入式柔性光遺傳器件。該器件以柔性光纖作為載體，將不同波長的光傳輸到特定的腦區，用于對特定神經元進行光調控，與此同時，該設計充分利用了光纖彎曲的表面，在光纖側壁集成了柔性電極陣列，用于探測神經元的動作電位監測神經元的活動（圖1a）。柔性電極陣列與柔性光纖的緊密結合經過了三次轉印（圖1b），這種利用柔性基底進行轉印的技術也可以用于其他柔性電子器件與曲面結構的完美貼合，文章中以柔性三電極電化學傳感器與光纖的集成作為例子進行了展示。該器件的功能和時序由無線電路控制，并由鋰電池供電，可以固定在自由活動的大鼠頭上同時不會影響大鼠的正常活動，器件柔性的特點也使得植入深度可以自由調節（圖1c-e）。

圖1. 多通道植入式柔性光遺傳器件的工作示意圖及器件結構圖

  研究團隊對該器件的光學、電學等方面性能進行了體外的表征測試，并將該器件植入麻醉大鼠的四個腦區中（圖2a）。該器件的32個通道能夠在不同腦區中同時記錄局部場電位和動作電位等電生理信號（圖2b-d），實驗證明可以探測到67μV的微弱自發動作電位（圖2c），并且對來自不同細胞的放電進行區分（圖2d）。

圖2. 活體大鼠的電生理記錄

  研究團隊通過光遺傳調控實現了對大鼠神經元的激活，在有藍色光刺激的時候，轉染了ChR2光敏蛋白的神經元以~2Hz或者~1Hz的頻率進行放電，幅值在300μV以上，而沒有光照時神經元表現為靜息狀態（圖3a-d）。最后，研究團隊通過大鼠的行為學實驗展示了該器件對自由活動大鼠的行為進行無線調控的能力（圖3e-f）。

圖3 光刺激下的電生理監測和行為學實驗

  該團隊提出的多通道植入式柔性光遺傳器件可以實現多腦區的光刺激與電信號監測等功能，為研究神經回路、大腦機制和神經系統的疾病提供了有力的工具。同時這種柔性電子器件與光纖結合的方式實現了多功能的集成，為生物學、生命科學等領域的高通量刺激與傳感的創新提供了靈感。

  相關工作已于12月29日線上發表于工程科學領域頂級期刊Small。本文的第一作者為天津大學精儀學院碩士研究生于景嫻，通訊作者為黃顯教授。上述工作得到了國家自然科學基金(No.61604108)，天津市自然科學基金(No.16JCYBJC40600)和天津大學自主創新基金的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202005925