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  近期，浙江大學汪浩教授、奚望副研究員以及哈佛大學鎖志剛院士團隊合作開發(fā)了一種基于PVA-ACSF水凝膠為離子導電體，PDMS為絕緣層的新型硬腦膜下皮層電極——hydrogel-elastomer neural interface (HENI)。相較于傳統(tǒng)的金屬電極，HENI電極具有高度的生物相容性，核磁兼容性以及與光成像技術聯(lián)用的多模態(tài)性特征。相關成果以標題為“Subdural Neural Interfaces for Long-term Electrical Recording, Optical Microscopy and Magnetic Resonance Imaging”發(fā)表在Biomaterials。

圖一，水凝膠皮層電極的設計理念及基礎特性

  硬腦膜下皮層電極（ECoG電極）是一種重要的神經(jīng)記錄接口，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛應用于癲癇病灶定位、意識控制義肢等臨床，以及科研領域。但如今以金屬作為導電材料的ECoG電極生物相容性差，極易損傷腦表面；還因其不透光等特性限制了ECoG電極的多模態(tài)應用（如和光遺傳學，雙光子成像和MRI成像等）。

  為了解決以上問題，浙江大學汪浩教授團隊與浙江大學奚望副研究員以及哈佛大學鎖志剛院士團隊合作開發(fā)了一種新型PVA-ACSF水凝膠電極。該電極具有力學性能與化學性質(zhì)和腦組織高度相似，高透光性以及核磁兼容性等特點，因此具有廣泛的臨床和科研應用價值。

圖二，水凝膠電極記錄到的電信號質(zhì)量和金屬電極高度相似

  該PVA-ACSF水凝膠電極可記錄到具有高度時空分辨率的高質(zhì)量皮層神經(jīng)電信號。

圖三，金屬和凝膠電極埋置98天后電極及周圍血管形態(tài)變化

  經(jīng)過98天的長時間埋置后評估，該電極及其周圍區(qū)域的血管增生形變以及膠質(zhì)細胞增生情況要顯著少于金屬電極。

圖四，水凝膠皮層電極可實現(xiàn)雙光子鈣成像和電信號同步記錄

  結合PVA-ACSF水凝膠在光學成像常用波長的高度透光性，通過雙光子顯微鏡采集電極點下方神經(jīng)元鈣信號和血管信號的同時也在體記錄了神經(jīng)元活動的電信號，這種多模態(tài)聯(lián)合實驗可以從多維度同時觀察解析小鼠不同生理或者病理狀態(tài)下的神經(jīng)元活動和血管的動態(tài)變化，對于研究腦區(qū)互作或者神經(jīng)血管互作的機制等提供了新的思路與方法。

圖五，水凝膠皮層電極不影響MRI成像（不會像右方的金屬電極產(chǎn)生很大的偽影）

  最后基于PVA-ACSF水凝膠的化學構成和腦組織高度相似性，顯示水凝膠電極不影響MRI核磁成像。綜上這種新型的PVA-ACSF水凝膠電極不僅有巨大的臨床應用潛力，它的高度透光性以及核磁兼容性等特點使它可以和光學成像，核磁成像以及光遺傳學等先進技術相配合，為基礎研究提供更多的選擇與可能性。本文的第一作者為浙江大學醫(yī)學院博士后王曉萌，共同第一作者為浙江大學醫(yī)學院博士生王夢琪和哈佛大學博士生盛昊。浙江大學生儀學院博士生朱亮為本文做出了重要貢獻。浙江大學醫(yī)學院汪浩教授、浙江大學系統(tǒng)神經(jīng)與認知科學研究所奚望副研究員以及哈佛大學鎖志剛教授為本文的共同通訊作者。該工作也是繼合作團隊2019年在Extreme Mechanics Letters發(fā)表的侵入式水凝膠電極后續(xù)合作研究。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961221007080

課題組簡介：

  浙江大學醫(yī)學院汪浩教授：汪浩教授為浙江大學衛(wèi)生部醫(yī)學神經(jīng)生物學重點實驗室PI，教育部長江青年學者，基金委“優(yōu)青”項目獲得者，浙江省“杰青”項目獲得者，博士生導師。2006年畢業(yè)于中國科學技術大學并獲神經(jīng)科學專業(yè)博士學位，于2007年加入美國杰克遜實驗室從事神經(jīng)環(huán)路發(fā)育的神經(jīng)機制研究。2012年全職回國加盟浙江大學醫(yī)學院神經(jīng)生物系。主要研究領域為本能行為的神經(jīng)環(huán)路機制和基于水凝膠的多模態(tài)柔性電極研發(fā)。在先天性恐懼的神經(jīng)環(huán)路機制研究上開創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)了外側(cè)僵核到背外側(cè)被蓋區(qū)的通路對于嗅覺誘導的先天性恐懼起到至關重要的作用。最新的研究發(fā)現(xiàn)外側(cè)下丘腦和終紋床核到中央導水管灰質(zhì)區(qū)的GABA能通路在攝食調(diào)控中起到十分重要的作用。其研究結果以通訊作者身份多次發(fā)表在Nature Neuroscience, Biomaterials, Cell Reports和eLife等SCI雜志上，并被多家新聞媒體和相關學術雜志和網(wǎng)站評論報道。近年來獲得浙江省、教育部、國家自然基金委及科技部多項基金資助。

  浙江大學醫(yī)學院奚望副研究員：浙江大學系統(tǒng)神經(jīng)與認知科學研究所副研究員，先后在南京大學和中國科學院神經(jīng)所獲得學士和博士學位。主要研究興趣為應用多光子成像技術研究從嚙齒類到非人靈長類的神經(jīng)血管耦合相關機制，以及神經(jīng)血管耦合機制在腦功能如睡眠、注意、意識等神經(jīng)認知功能中的作用。相關工作以第一作者及通訊作者發(fā)表于Biomaterials、J. Nucl. Med.、Theronatics等國際知名雜志。主持與參與多項國家自然科學基金、浙江省自然科學基金等研究項目。

  哈佛大學鎖志剛教授：鎖志剛教授，國際著名力學家，哈佛大學終身教授，美國科學院院士、工程院院士。1985年，本科畢業(yè)于西安交通大學力學系。1989年，在美國哈佛大學獲博士學位。在力學與材料科學的諸多領域開展了廣泛研究，在Nature, Science 等期刊上發(fā)表論文460余篇，Google引用67000余次，H因子136。近年來，在水凝膠等軟材料領域做出了開創(chuàng)性貢獻。