長春應化所張強研究員課題組與合作者 Adv. Mater.：基于支鏈淀粉水凝膠神經探針的腦機接口技術
腦機接口（BMI）是連接人腦與外部設備的關鍵技術，可用于采集大腦數據、調節神經回路，廣泛應用于醫療、娛樂和通信領域。尤其是借助光遺傳學這種神經調節技術，BMI能夠幫助治療難治性腦疾病。高效的神經探針是腦機接口的核心工具。然而，傳統金屬探針由于與腦組織模量不匹配，長期使用會引發免疫反應，影響穩定性。作為理想替代方案，水凝膠因其與腦組織相似的物理和化學特性，逐漸受到關注。然而，水凝膠本質是不導電的，添加導電納米填料又會影響其透光率，進而影響其神經調節的效率，如何在透明度和導電性之間找到平衡，是設計高效水凝膠神經探針的重大挑戰。
近日，中國科學院長春應用化學研究所張強團隊與中國人民解放軍聯勤保障部隊第989醫院常祺團隊聯合研發了一種支鏈淀粉基水凝膠神經探針，實現了性能與功能的全面突破（圖1）。支鏈淀粉誘導了PEDOT鏈的重排，減少了PEDOT鏈的積累，提高了透光率和電導率。科研人員利用該水凝膠作為神經探針實現了連續8周對腦神經信息的監測，同時借助光遺傳學技術，該水凝膠探針可原位實現腦神經信號的記錄和神經回路的精準調控。這一技術在中風大鼠模型上的實驗中取得顯著療效。通過對受損腦區的同側運動皮層進行藍光調控，成功激發了受損神經元的放電活動，重建了突觸連接，恢復了腦神經回路，顯著減小了腦組織的梗死面積，并有效促進了大鼠的運動功能恢復。相關研究成果以題為 “Amylopectin-based Hydrogel Probes for Brain-machine Interfaces” 發表在《Advanced Materials》雜志上。
圖1.水凝膠的結構、特性及其作為可植入式探針的應用示意圖
支鏈淀粉：小分子蘊含大能量
該項研究對水凝膠的模量、粘附性、電導率和透光率等關鍵性能指標進行了全面的分析（圖2）。其具備與腦組織匹配的低模量（43 kPa），避免了組織損傷和免疫反應。由于支鏈淀粉誘導PEDOT鏈重排，減少鏈堆積，提高了水凝膠的電導率（11.93 S/m）和透光率（70.4%）。與文獻報道的其他水凝膠相比，該水凝膠在電導率、模量和透光率之間達到了平衡。此外，該水凝膠還具備較好的長期穩定性。經過100次拉伸循環后，水凝膠的抗拉強度和電導性能保持不變，且電化學測試顯示無明顯氧化還原反應。
圖2. 支鏈淀粉基水凝膠良好的基礎性能
該水凝膠具備良好的生物相容性。通過細胞毒性實驗和免疫熒光實驗驗證，水凝膠對細胞和組織無毒害，與腦組織形成了良好的接觸界面。與傳統探針相比，植入腦內的小膠質細胞和星形膠質細胞數量更少，顯著降低了異物反應，這有利于其作為神經探針的長期穩定性（圖3）。
圖3. 支鏈淀粉基水凝膠良好的生物相容性
探針應用：從神經信號采集到疾病治療
該水凝膠作為神經探針可用于腦神經信號記錄（圖4）。其可連續8周監測大鼠海馬區局部場電位信號，信號衰減程度低于PT探針和傳統水凝膠探針。除記錄大鼠清醒和睡眠狀態下的自發局部場電位外，水凝膠探針還可記錄外界刺激（如尾部夾持、胡須波動）引發的誘發局部場電位。同時，其作為微探針成功記錄了大鼠單個神經元信號，信噪比達4.02。
圖4. 支鏈淀粉基水凝膠用于神經信號監測
水凝膠探針具備導電和透光特性，可進行原位光遺傳學神經調控和電生理記錄。通過調節輸入藍光的頻率和功率，水凝膠光電極記錄到對應變化的局部場電位信號，且無光電偽影干擾。同時，由于該水凝膠光電極較好的生物相容性，其可對正常大鼠進行為期4周的光遺傳學調控，這擴大了其應用范圍（圖5）。
圖5. 支鏈淀粉基水凝膠用于原位神經信號監測與光遺傳調控
基于水凝膠探針原位進行光遺傳學的能力，其可用于治療中風模型大鼠。通過對中風模型大鼠的初級運動皮層進行光遺傳學神經調控，顯著增強了神經保護蛋白的分泌，刺激神經元分化，重新連接腦神經回路，減少梗死區面積（從36%降至8%）。調控后大鼠在平衡木實驗和圓筒實驗中的表現明顯優于自恢復組，運動功能和體重恢復顯著加快（圖6）。
圖6. 支鏈淀粉基水凝膠用于中風模型大鼠治療
該研究開發的支鏈淀粉基水凝膠探針，實現了模量、電導率和透明度的高度平衡，同時具備長期穩定性和優異的生物相容性。它不僅能夠高效記錄大腦神經信號，還可實現神經回路精準調控，特別是在中風治療中展現出巨大潛力。未來，這項技術有望成為腦疾病監測和治療的利器，推動腦機接口領域邁向新臺階。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202416926
