英文原題：
High-Throughput PEDOT：PSS/PtNPs-Modifified Microelectrode Array for Simultaneous Recording and Stimulation of Hippocampal Neuronal Networks in Gradual Learning Process
通訊作者：
蔡新霞研究員，中國科學院空天資訊創新研究院；許琪研究員，中國醫學科學院基礎醫學研究所
作者：
Shihong Xu（徐世弘）， Yu Deng（鄧宇）， Jinping Luo（羅金平）， Enhui He（何恩慧）， Yaoyao Liu（劉瑤瑤）， Kui Zhang（張奎）， Yan Yang（楊燕）， Shengwei Xu（徐聲偉）， Longze Sha （沙龍澤）， Yilin Song（宋軼琳）， Qi Xu*（許琪），Xinxia Cai*（蔡新霞）
背景介紹
腦機介面離體晶片是在多通道微電極陣列（Microelectrode Array， MEA）上進行體外神經元培養，從而形成神經網路與人造裝置間的通訊機制，是腦機介面方向的一種典型直接神經介面，不僅可以實時獲取神經元的資訊活動動態變化，為體外神經網路資訊檢測提供一種高通量、高信噪比和較好生物相容性的檢測工具，還能很好地與藥物調控、電調控等技術相結合來探究調控下神經系統的活動，在腦科學、腦機互動和生命健康領域具有重大科學意義和重要的應用前景。然而，離體神經元檢測與調控的高效器件和晶片的缺乏，許多腦功能在細胞與網路層面的機制並不明確。透過新型奈米複合材料的定向修飾能夠大幅度提升微電極陣列的相關效能，從而為設計並研製先進的腦機介面晶片提供重要思路。
封面圖片
文章亮點
近日，
中國科學院空天資訊創新研究院蔡新霞
團隊和中國醫學科學院基礎醫學研究所許琪團隊
合作，製備了一款用於高通道的微電極陣列，適用於體外培養神經元或腦切片的資訊檢測與調控。結合了PEDOT：PSS/PtNPs奈米功能材料，
研製出低阻抗、小相位延遲、高電荷儲存容量、高最大電荷注入密度的腦機介面
。
可實現精準、安全的電調控海馬神經元產生刺激下的學習功能
，並因其高時空分辨的能力記錄到神經元學習過程中電生理特徵和記憶曲線，進而探究了大腦學習潛在的神經機制。相關成果以
Supplementary Cover
形式發表在領域重要期刊
ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
上。
圖1。 用於研究腦功能的離體腦機介面平臺
高通道的微電極陣列是透過微加工工藝製備而成。由透明石英玻璃基底，Ti/Pt導電層，SiO
2
/Si
3
O
4
絕緣層，和奈米複合材料介面層組成。電極陣列包含128個直徑為30μm的檢測位點，可檢測微弱的神經元訊號。研究中對比了PEDOT：PSS、PEDOT：PSS/AuNPs和PEDOT：PSS/PtNPs 三種奈米複合材料的神經介面在神經調控與神經檢測方面的效能。PEDOT：PSS/PtNPs神經介面具有低阻抗、小相位延遲、高電荷儲存容量、高最大電荷注入密度、良好穩定性和生物相容性，有效提高微電極檢測與調控效能，有利於神經訊號的調控與檢測。
圖 2。 MEA 的製造和修改示意圖。（a） 基板清洗 （b）透過第一次光刻在基板上形成 微電極、導線和接觸墊的圖案。（c） 濺射 Ti/Pt 導電層。（d） 剝離金屬層。（e） PECVD 沉積絕緣層。（f） CHF3 蝕刻暴露微電極和接觸墊。（g） PEDOT：PSS 電化學沉積到微電極上。（h） PtNPs 沉積到 PEDOT：PSS 層上。（i）高通道微電極陣列。（j）微電極的內部佈局。
為了確認啟用神經元的最佳電刺激模式，多種引數的電刺激被應用於海馬神經元。如圖3所示，透過評價刺激後神經元的尖峰放電速率、區域性場電位功率和刺激後事件直方圖（PSTH）。確定了幅度為±300mV、脈寬為200μs、頻率為1Hz的雙極性電壓脈衝序列是能夠啟用神經元學習的有效模式。
圖 3。 不同頻率電刺激對海馬神經元點活動的影響。（a） 刺激前、0。2Hz刺激後、1Hz刺激後和5Hz刺激後神經元尖峰和 LFP 功率訊號的變化。（b） 刺激前、10Hz刺激後、20Hz刺激後和50Hz刺激後神經元尖峰和 LFP 功率訊號的變化。（c） 1Hz刺激的刺激後事件直方圖。（d） 0。2Hz刺激的刺激後事件直方圖。
海馬神經元在多個訓練電脈衝序列以後表現出學習逐漸加深的特徵，在神經電生理上具體表現神經元放電越來越趨向簇狀放電的情況（圖4）。
圖 4。 海馬神經元在學習訓練後的電生理特徵。（a） 訓練前、第一次訓練後、第二次訓練後和最後一次訓練後的尖峰放電圖。（b） 訓練前、第一次訓練後、第二次訓練後和最後一次訓練後海馬神經元的聯合尖峰間隔分佈圖。
神經元學習後，培養在多通道微電極陣列上的神經元活動之間的相關性與同步性（圖5a和5b）。透過以上結論，我們可以推斷神經元在學習過程中它們之間的聯絡在不斷的加深，就如同人在學習事物時，大腦不同區域產生協同作用最終將事物記下。
在撤去誘導神經元學習的訓練後，神經元依然能保持著刺激引發的高簇狀放電的特徵（圖5c）。這貼合人類學習一件事情的記憶曲線。
圖5。學習訓練後海馬神經元之間放電的同步性，以及神經元尖峰和爆發放電的記憶曲線。（a） 網路同步指標動態變化的過程。（b） 不同階段的歸一化平均同步指數 （n=30， ***p
總結/展望
基於 PEDOT：PSS/PtNPs 的高通道微電極陣列組成的腦機介面離體晶片具有良好的生物相容性，與活體腦機介面晶片相比倫理道德的束縛更小，作為重要的研究工具在腦重大疾病、新型藥物研製、新一代人工智慧和器官晶片等諸多重要研究領域具有更加廣闊的應用前景。
相關論文發表在
ACS Applied Materials & Interfaces
上，中國科學院空天資訊創新研究院
博士研究生
徐世弘
為文章的第一作者，
蔡新霞研究員
和
許琪教授
為通訊作者。
通訊作者資訊
蔡新霞 研究員，博士生導師
蔡新霞研究員主要從事生物資訊微納感測器與高時空分辨腦機介面新興技術及其交叉學科方向研究，主持國家奈米科技重點研發計劃和國家自然科學基金微納感測技術創新研究群體等專案。在領域重要期刊Biosensors & Bioelectronics、Sensors & Actuators B等上發表SCI論文111篇，合作著作9部，獲授權發明專利50項、軟體著作權5項。以第一完成人獲國家技術發明獎二等獎，是國家傑出青年科學基金獲得者，國家百千萬人才工程和科技北京領軍人才工程入選者。
許琪 協和學者特聘教授
許琪，中國醫學科學院基礎醫學研究所研究員，協和學者特聘教授，中國醫學科學院基礎醫學研究所副所長。近10年來一直從事精神分裂症等重要精神疾病發生的分子機制研究，曾作為課題負責人先後承擔863課題、973課題、國家自然科學基金等專案。現已在Nature、Journal of Experimental Medicine、American Journal of Psychiatry、Nature Structural & Molecular Biology、Nature Genetics等期刊發表有關精神疾病研究的SCI論文60餘篇，合作專著1部，獲發明專利6項。獲國家自然科學基金傑出青年科學基金、中國青年科技獎、中國青年女科學家等多項榮譽獎勵及稱號，併入選國家百千萬人才工程。
ACS Appl。 Mater。 Interfaces
2022，14，13，15736-15746。
Publication Date： March 16， 2022
https：//doi。org/10。1021/acsami。1c23170
Copyright © 2022 American Chemical Society