最新Nat. Mat.：锥形光纤集成纤维电极用于去除光电伪影

一、导读

         现代神经科学研究的核心在于破译人类思维的神经机制和过程，其中破译大脑功能背后的神经模式对于理解神经元如何组织成网络至关重要，光遗传学及其与光电设备的结合极大地促进了这种破译。然而，特别是当光发射和记录位置彼此靠近时针，对小脑容量会导致光电伪影，那么需要开发一种新的去除伪影的方式。

二、成果掠影

         近日，意大利Istituto Italiano di Tecnologia联合美国马萨诸塞州波士顿哈佛医学院神经生物学系霍华德休斯医学研究所等，报道了一种通过金属涂层的微结构锥形光纤成为一种有效的系统，可以将光传递到大脑浅层或深部区域的受限脑容量。当应用锥形边缘时，非平面双光子聚合（2PP）允许对具有非恒定曲率半径的表面进行全光学图案化，从而能够以几乎任意的图案和可定制的发光几何形状将多个电极放置在植入物周围。首先在体外测试了纤维电极来表征光电伪影；然后，在小鼠大脑的大脑皮层和纹状体中进行了体内电生理记录，证明了空间受限的光遗传学激活和局部场电位和动作电位的同时无人工制品的细胞外记录。结果证实，有角度的发射允许在小脑区同时进行光遗传学激活和神经活动的电读出，而无需对光诱导的电伪影进行事后校正。因此，光纤电极代表了同时监控和调制局部神经网络的强大工具。

三、核心创新点

         文章提出了一种新的设计概念 “纤维电极”，将微电极集成在锥形光纤（TF）。微电极放置在非常靠近发光位点（10 µm）的位置，但锥形的特殊光子特性与制造策略相结合，消除了光遗传学光序列中的光电伪影。锥度作用于导模波矢量使照明图案相对于纤维电极轴倾斜，从而防止直接照明电极，如蒙特卡罗模拟计算所证实的那样。受刺激组织的体积可以通过改变光学窗口的大小和形状来调整，不同大小的电极可以实现阻抗调谐。采用高分辨率图案化技术来构造锥形的非平面表面，包括：

（1）聚焦离子束（FIB）处理以实现单个电极/窗口；

（2）非平面双光子聚合（2PP）扩大方法。

四、数据概览

图1.电极制备工艺过程图 © 2022 The Authors

图2.电特性和细胞外记录 © 2022 The Authors

图3.透明溶液中的光发射特性和散射脑组织中的相关蒙特卡罗模拟© 2022 The Authors

图4.PBS中的光致光电噪声 © 2022 The Authors

图5.纤维电极的活体测试 © 2022 The Authors

图6.基于 2PP（非平面双光子聚合）的图案化工艺的可扩展性© 2022 The Authors

五、成果启示

         以控制具有毫秒时间分辨率和细胞类型特异性的神经活动。利用锥形光纤的光子特性来开发集成的“纤维电极”，能够通过减少光电噪声来光学激活小脑容量。通过非平面微细加工将电极放置在非常靠近发光点的位置，具有角度的光发射允许在体内同时进行光遗传学操作和一到三个神经元的电读出，而没有光电伪影。在弯曲的锥形边缘上非常规地实施双光子聚合，可以在植入物周围制造重新编码位点，使纤维电极成为平面微型植入物去除伪影的一种方式。

参考文献：Spagnolo, B., Balena, A., Peixoto, R.T. et al. Tapered fibertrodes for optoelectrical neural interfacing in small brain volumes with reduced artefacts. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01272-8

本文由金爵供稿。