在沒有有效康復(fù)方法的情況下，中風(fēng)是導(dǎo)致殘疾的主要原因。新興的腦機接口有望調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路，促進大腦功能紊亂的恢復(fù)。可植入探針在腦機接口中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但在導(dǎo)電性和模量匹配/透光性之間存在兩種不可調(diào)和的權(quán)衡。因此，開發(fā)具有良好導(dǎo)電性、組織模量匹配性以及透光性的可植入神經(jīng)探針以實現(xiàn)神經(jīng)退行性疾?。ㄈ缰酗L(fēng)）的診療仍具有極大挑戰(zhàn)性。近日，長春應(yīng)化所張強研究員與中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九八九醫(yī)院常祺主任在該領(lǐng)域取得進展，相關(guān)研究成果以“Topological Hydrogels for Long-Term Brain Signal Monitoring, Neuromodulation, and Stroke Treatment”為題發(fā)表在Adv. Mater. (DOI:10.1002/adma.202310365)。中國科學(xué)院長春應(yīng)化所沈珍珍博士為第一作者，中國科學(xué)院長春應(yīng)化所張強研究員和中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九八九醫(yī)院常祺主任醫(yī)師為通訊作者。
【文章要點】
為實現(xiàn)神經(jīng)探針導(dǎo)電性和模量匹配性/透光性之間的權(quán)衡，該工作通過在拓?fù)渌z中引入機械互鎖的聚輪烷結(jié)構(gòu)（PR-PEGMA）作為水凝膠的交聯(lián)劑，PR-PEGMA中環(huán)糊精（CD）可以像滑輪一樣沿著PEG鏈自由滑動，使得制備的水凝膠具有低彈性模量和高強度；聚（3，4-亞乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）作為導(dǎo)電填料，PEDOT沿著CDs上的PEG鏈緊密排列使得水凝膠產(chǎn)生高導(dǎo)電性。此外，CDs在PEG主鏈上的滑動作用減少了PEDOT鏈的聚集，從而減少了PEDOT與光波相互作用，增強了光學(xué)透明性能。并進一步證明了拓?fù)渌z是理想的可植入神經(jīng)探針，可用于獲取大腦信號、調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路和治療中風(fēng)。首先，將基于拓?fù)渌z的神經(jīng)探針插入大鼠大腦的海馬CA1區(qū)2個月，以獲取長期的腦神經(jīng)信號。在2個月的植入測試中，該探針顯示出比Pt和其他傳統(tǒng)的基于共價交聯(lián)水凝膠的探針更好的傳感性能。第二，利用水凝膠探針成功地進行了光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控，這使得能夠研究動物行為和同步的原位腦神經(jīng)信號。最后，利用光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控成功地激活了中風(fēng)大鼠的腦神經(jīng)回路。在光遺傳學(xué)刺激后，觀察到中風(fēng)大鼠大腦受損區(qū)域的大幅減少和運動功能的恢復(fù)。
圖1.拓?fù)渌z結(jié)構(gòu)、性能和作為植入式神經(jīng)探針的應(yīng)用示意圖。
PR-PEGMA和拓?fù)渌z的制備
PR-PEGMA是通過將15個CDs穿過單個PEG主鏈并用2,4-二硝基氟苯封端，然后用PEGMA側(cè)鏈對CDs進行官能化來制備的。拓?fù)渌z（APxPyH）是在PEDOT:PSS存在下，通過PR-PEGMA和丙烯酰胺（AAm）的共聚制備的，其中x和y分別表示水凝膠中PR-PEGMA和PEDOT:PSS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。使用低溫掃描電子顯微鏡（cryo-SEM）研究拓?fù)渌z的形態(tài)，并顯示出多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖2. PR-PEGMA及其拓?fù)渌z的合成。
腦神經(jīng)信號監(jiān)測
拓?fù)渌z（AP6P1H）由于具有良好的生物相容性和高導(dǎo)電性具有長期記錄腦神經(jīng)信號的能力。首先，使用AP6P1H記錄了處于睡眠狀態(tài)的大鼠的LFP信號，其在θ節(jié)律中表現(xiàn)出較大的幅度和功率。為了進行比較，制備金屬電極（Pt）和共價交聯(lián)水凝膠電極（ABP1H），并用于在相同條件下記錄LFP。Pt電極獲得的LFP信號表現(xiàn)出最高的幅度，這歸因于Pt優(yōu)異的本征導(dǎo)電性。與其他兩個電極相比，ABP1H電極由于其低導(dǎo)電性而獲得最弱的LFP。一般來說，神經(jīng)調(diào)控和腦疾病治療需要長期應(yīng)用植入腦組織的神經(jīng)電極。通過連續(xù)記錄大鼠處于睡眠狀態(tài)下8周的LFP信號來研究這些電極的長期適用性。AP6P1H電極在8周信號記錄中獲得了相對穩(wěn)定的LFP信號。除了自發(fā)LFP外，還使用AP6P1H電極記錄體感誘發(fā)電位，麻醉大鼠的LFP信號顯示出典型的δ振蕩節(jié)律（0–2 Hz）。當(dāng)用夾子夾住大鼠的尾巴時，δ節(jié)律變?yōu)棣裙?jié)律（2–7 Hz）。這些結(jié)果驗證了AP6P1H電極記錄各種振蕩節(jié)律的優(yōu)異能力。
圖3.拓?fù)渌z神經(jīng)探針在腦神經(jīng)信號監(jiān)測中的應(yīng)用。
光遺傳學(xué)調(diào)控
光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控通過直接調(diào)節(jié)靶向腦功能區(qū)，為治療腦功能紊亂提供了有前景的技術(shù)。通常，由于自身結(jié)構(gòu)的局限性，電極和光纖會有幾毫米的間距，分離的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在響應(yīng)光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)時獲得原位神經(jīng)信號的困難增加。在此，我們使用AP6P1H同時作為光纖和電極，由于其高導(dǎo)電性和透光性，可以同時記錄響應(yīng)光遺傳學(xué)調(diào)控的原位神經(jīng)信息。當(dāng)用藍色脈沖激光（473 nm）刺激M1區(qū)域時，獲得清晰的LFP信號，并且LFP信號頻率（1–20 Hz）與激光頻率匹配。使用AP6P1H光纖電極連續(xù)進行4周的光遺傳學(xué)調(diào)制，在神經(jīng)調(diào)控的4周內(nèi)未觀察到明顯的信號衰減。結(jié)果證明了AP6P1H光纖電極在長期神經(jīng)調(diào)控應(yīng)用中的適用性。M1區(qū)域涉及包括軀體和肢體運動的控制。因此，可以通過M1區(qū)域的光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控來調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路，以控制動物行為。將藍色脈沖（20 Hz，20 mW）施加到大鼠的M1區(qū)域時，在大鼠進行相應(yīng)的肢體行為時，能同時觀察到相應(yīng)的LFP信號， LFP信號和相應(yīng)的肢體行為分別通過藍色脈沖激光的打開和關(guān)閉來觸發(fā)和終止。
圖4.拓?fù)渌z神經(jīng)探針在光遺傳學(xué)調(diào)控中的應(yīng)用。
中風(fēng)治療
光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)可以選擇性地觸發(fā)或抑制特定的神經(jīng)元和神經(jīng)回路，以促進軸突發(fā)芽并重新連接大腦回路。首先建立局灶性大腦中動脈栓塞模型（MCAO），對中風(fēng)大鼠進行為期12天的連續(xù)光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)，用2，3，5-三苯基氯化四氮唑（TTC）對腦組織進行染色以進行梗死識別，當(dāng)進行12天的連續(xù)光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)時，梗死體積減少到4%，而自我恢復(fù)的中風(fēng)大鼠的梗死體積減少到15%。NeuN免疫染色結(jié)果顯示，經(jīng)過12天的光遺傳學(xué)調(diào)控的中風(fēng)大鼠NeuN水平顯著升高。缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1α）作為識別腦缺血區(qū)域的生物標(biāo)志物，在腦卒中大鼠的梗死區(qū)域高度表達。與自我恢復(fù)的大鼠相比，受刺激的大鼠在梗死區(qū)域觀察到的HIF-1α熒光強度要低得多。為了研究光遺傳學(xué)調(diào)控對中風(fēng)恢復(fù)的影響，分別進行了旋轉(zhuǎn)梁測試（rotating beam tests）、轉(zhuǎn)角測試（corner turn tests）和前肢放置測試（forelimb placement tests），這些結(jié)果都證明了光遺傳學(xué)調(diào)控在促進中風(fēng)大鼠運動功能恢復(fù)中的重要作用。
圖5.拓?fù)渌z神經(jīng)探針在光遺傳治療中風(fēng)中的應(yīng)用。
【總結(jié)】
研究團隊提出了一種通過利用機械互鎖聚輪烷的滑輪效應(yīng)來克服電子導(dǎo)電性和模量匹配性/透光性之間的權(quán)衡。所獲得的拓?fù)渌z與傳統(tǒng)水凝膠的區(qū)別在于其優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性、良好的模量匹配性和高透光性。這些獨特的特性使AP6P1H電極能夠長期穩(wěn)定地記錄LFP信號，與傳統(tǒng)電極相比，AP6P1H電極能夠產(chǎn)生更強的信號強度和較弱的信號衰減。高導(dǎo)電性和透光性使AP6P1H電極既可以作為神經(jīng)電極，也可以作為光纖，同時進行光遺傳學(xué)調(diào)控和記錄原位神經(jīng)信號，最后證明了利用腦神經(jīng)信號記錄和光遺傳學(xué)調(diào)控技術(shù)可以成功治療中風(fēng)大鼠。這一應(yīng)用的成功歸功于水凝膠的獨特性質(zhì)，因為它們具有特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這項工作在設(shè)計神經(jīng)電極、記錄腦神經(jīng)信號、進行神經(jīng)調(diào)控和治療中風(fēng)方面取得了重大進展，是了解腦神經(jīng)信息和治療腦功能紊亂的重要一步。
張強，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師。主要從事生理信息在線監(jiān)測研究（腦機接口和可穿戴生物傳感器）。在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發(fā)表SCI論文60余篇，撰寫7部英文專著章節(jié)。研究成果被新華社、光明日報、騰訊新聞等60余家主流媒體報道，單次報道最高閱讀量接近100萬次。曾獲得Wiley高被引作者獎（2023）、國際先進材料學(xué)會會士（2023）、Wiley2021-2022年度高被引作者獎（2023）、吉林省高層次人才（2023）、國際先進材料學(xué)會青年科學(xué)家獎?wù)拢?022）、“防治新冠疫情臨床需求及創(chuàng)新方案征集活動”優(yōu)秀獎（2020）、Materials Horizons杰出論文獎（2019）；被英文期刊 Front. Chem.評為“化學(xué)前沿新星2020”；入選阿爾伯塔技術(shù)創(chuàng)新學(xué)者（2015）。目前擔(dān)任：廣東院士聯(lián)合會腦科學(xué)與類腦智能專業(yè)委員會委員、中國創(chuàng)造學(xué)會人居環(huán)境專業(yè)委員會委員。
常祺，醫(yī)學(xué)博士，專業(yè)技術(shù)大校，主任醫(yī)師，博/碩士研究生導(dǎo)師，軍事訓(xùn)練醫(yī)學(xué)博士后指導(dǎo)教師。全軍軍事訓(xùn)練醫(yī)學(xué)研究所所長，聯(lián)勤保障部隊第九八九醫(yī)院骨科主任。軍委后勤保障部軍事訓(xùn)練傷防控領(lǐng)域?qū)＜?，?dān)任全軍軍事訓(xùn)練傷防控指導(dǎo)專家組副組長，國家臨床重點?？啤败娛掠?xùn)練醫(yī)學(xué)”負(fù)責(zé)人，河南省醫(yī)學(xué)重點?？苿?chuàng)傷外科主任，河南省創(chuàng)傷與運動康復(fù)醫(yī)學(xué)重點實驗室主任。獲得全軍科技進步一等獎、二等獎各1項、中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會一等獎1項，河南省科技進步獎一等獎1項、二等獎2項、三等獎1項，洛陽市科技進步一等獎2項。目前主持國家、軍隊及省部級以上課題多項，以第一或通訊作者發(fā)表包括國際頂尖的學(xué)術(shù)雜志《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》在內(nèi)SCI論文30余篇，發(fā)表國內(nèi)核心期刊論文70余篇，出版專著23部，專利30余項。享受全軍優(yōu)秀技術(shù)人才一類崗位津貼，榮獲二等功及三等功各一次。入選聯(lián)勤保障部隊首屆“三才一隊”人材工程，獲評聯(lián)保中心第五屆“出彩聯(lián)勤人”稱號。擅長領(lǐng)域為軍事訓(xùn)練傷防治、骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷修復(fù)、創(chuàng)傷后運動康復(fù)。
