编辑/凯霞
神经元利用电脉冲和化学物质相互交流，分析两者对于研究大脑功能和发现大脑疾病至关重要，但今天的植入物只能测量其中之一。
现在，韩国的研究人员展示了首个能够测量活体动物大脑同一局部区域的电信号和化学信号的设备——双峰 MEMS 神经探针。他们在活老鼠身上测试了这种比 25 美分硬币还小的芯片，证明了双峰神经探针的能力。
「我希望我们的新技术能够为深入研究大脑功能以及调查与大脑疾病相关的神经回路的各种研究提供机会。」韩国科学技术研究院脑科学研究所的 Il-Joo Cho 说。
该研究以「Bimodal neural probe for highly co-localized chemical and electrical monitoring of neural activities in vivo」为题，发表在《Biosensors and Bioelectronics》（生物传感器和生物电子学）杂志上。
当前挑战：电信号与化学信号不可兼得
测量神经递质（在神经元之间传递信号的化学物质）的浓度可以提供对大脑功能的关键见解。例如，帕金森病患者的血清素、多巴胺和其他神经递质水平低于正常人。在精神分裂症中，释放多巴胺的神经元比典型大脑活跃得多。
但今天测量这些神经递质水平需要将带有流体通道的探针插入大脑以收集脑液，然后使用光谱学等技术进行分析。这很慢，而且毫米宽的探头会导致组织损伤。
记录大脑的电信号更简单。它可以使用植入目标大脑区域的超薄柔性聚合物神经探针或连接到头皮的金属电极来完成。
多年来，科学家们已经建立了各种大脑植入物，但是能够同时测量电信号和神经化学信号的设备很难获得。一个研究小组最近报道了基于 MEMS 的微型采样装置，可以在不损坏组织的情况下收集细胞外液，但这些装置无法记录电信号。
Cho 说，「在体内破译这两种信号之间的定量关系对于神经科学研究很有价值。例如，它将允许神经科学家研究药物对特定类型脑细胞活动的影响。这以前只能通过分析脑切片来实现。」
双峰 MEMS 神经探针
Cho 说，「他们的设备是第一个能够测量来自活体动物大脑同一区域的电信号和化学信号的设备。」
采用微加工技术和模块化包装工艺制备了双模神经探针。双模 MEMS 神经探针由柄部和探针体组成。该设备有一个探针，带有十二个电极阵列，用于记录电信号，以及两个内置微流体通道，用于收集脑液。
探针只有 40 微米厚，横截面积是先前制造的探针周长的三分之一甚至四分之一——这可以最大限度地减少插入大脑期间的组织损伤。该设备还具有连接到探针的微流体接口芯片，用于将药物输送到指定位置。
双峰 MEMS 神经探针。
为了评估用于体内实验的双峰 MEMS 神经探针的性能，对探针的四个关键功能进行了表征，即：（1）电极的电阻抗；（2）通过探针的采样流速和液体回收率；（3）多药递送能力；以及（4）样品分离能力。结果表明该探针可以很容易地用于体内操作。
同时测量电信号和化学信号
在活老鼠的实验中，Cho 和他的同事提供药物来调节目标大脑区域的神经回路。他们实时观察电信号的变化，并测量每 20 分钟采集一次的脑液样本中的神经递质水平。
为了连续监测神经递质浓度的变化，根据体内推拉采样过程中的流速表征了双峰神经探针的可靠性。实验结果证实，可以在不堵塞通道的情况下连续收集细胞外液超过 2.5 小时，这足以监测化学刺激过程中神经化学浓度的变化。
为了证明双峰神经探针可以同时连续监测电信号和化学信号，研究人员将探针插入另一只小鼠的丘脑并测量了这两种信号。
结果表明细胞外液的采样不会影响记录电极附近细胞的电活动，并且可以在采样过程中连续监测电活动。因此，证明了 MEMS 神经探针能够对大脑同一区域的神经活动进行连续双模式监测。
用双模态 MEMS 神经探针监测电和化学神经活动的体内实验结果。
对神经回路的深入研究需要能够调节神经回路以及监测神经元反应。 研究人员进行了体内实验，以证明双峰神经探针在调节神经活动的同时观察电信号和化学信号变化的能力。设计了两组体内实验，一组使用兴奋性化学物质，另一组使用抑制性化学物质。
当注射氯化钾溶液（已知可以激发神经元）时，电信号以更快的速度发射，两种神经递质的浓度也显着增加。当他们注射一种已知可以抑制神经回路的抑制性药物（河豚毒素）时，情况正好相反。
通过双模态 MEMS 神经探针在高 KCl 溶液输送的兴奋刺激过程中监测电信号和化学信号。
通过双峰 MEMS 神经探针在抑制刺激期间监测电信号和化学信号，并通过河豚毒素溶液输送。
Cho 说，「该团队现在计划增加实时神经递质监测能力。这应该能让他们实时评估电信号和化学信号之间的相关性。」
虽然该系统目前适用于动物实验，但可以通过添加一些附加功能来扩展系统的实用性。一项潜在的改进是增加实时神经递质监测功能，用于在线分析电和化学活动之间的相关性。探针主体上的生物传感器的集成将实现实时化学检测能力。
此外，系统独立运行所需的外围组件，如微型泵和通信模块，可以实现系统的无线操作，并通过允许对行为动物进行实验来扩展探头的应用。
论文链接：doi.org/10.1016/j.b…
