錐形光纖+超柔電極：打造更精準的腦科學工具

在神經科學研究中，光遺傳學技術通過將攜帶光敏蛋白的病毒注入目標腦區，然后利用特定波長的激光激發或抑制神經元活動，能夠實現高精度的神經調控。然而，如果要同步觀察這些神經元在受到光刺激時的電生理信號，就需要將激光與電極“打包"到同一套裝置中。但一旦激光照射到電極位點，往往會產生額外的光電偽影噪聲，從而干擾真實神經信號的檢測。

如圖1所示，本次發布的光電神經接口采用了錐形光纖作為光源引導的載體，并結合擁有超低厚度與柔性的超柔電極。這樣既能減輕腦組織創傷、提高生物相容性，又能在較低功率的光照下實現更廣范圍、更均勻的神經元激發。研究人員指出，錐形光纖輸出的光場覆蓋面積大幅提升，對腦組織的光照衰減也相對平口光纖更為平緩。

圖1 光電神經接口實驗系統。（a）光遺傳刺激與電生理同步記錄系統；（b）光電神經接口示意圖

系統性離體實驗：揭示光電偽影的關鍵因素

在本研究中，團隊首先利用離體環境（包括磷酸鹽緩沖液、不同奶粉含量的瓊脂糖凝膠等）模擬腦組織中的光散射與離子成分。在不同光功率以及不同離子濃度環境下，測量了光電偽影的強度、頻譜分布和對電極記錄造成的影響，如圖2所示，結果表明：1）激光功率越大，光電偽影越強。當光功率增至 20 mW 時，偽影峰值可超過數百微伏，主要對低頻段（局部場電位，LFP）造成干擾。2）介質中離子種類與含量會放大偽影。研究發現，隨著奶粉（內含金屬離子）濃度的增大，偽影峰值也呈上升趨勢，這與電極/電解質界面的法拉第過程和雙電層效應密切相關。

圖2 光電偽影的離體表征實驗。（a）離體信號采集實物圖；（b）光輻照期間 LFP 和 AP 頻段數據；（c）不同通道中的光電偽影波形圖

團隊成員表示，這些離體實驗數據為后續在體實驗及光電極的改進提供了理論與實驗依據。

活體驗證：光電接口長時間穩定記錄

為了進一步證明該光電極在真實神經組織環境中的表現，研究人員將新型光電極植入小鼠的CA1腦區，并進行了長達數周的追蹤記錄。結果顯示：1）電極阻抗在初期波動，兩周后趨于穩定。這是由于組織免疫炎癥反應在植入前期比較明顯，后期隨愈合與適應逐漸減輕。2）低功率光刺激可有效激發神經元，同時干擾更小。實驗表明，對于需要大范圍激活神經元時會使用更高光功率，但光電偽影也隨之增強。為兼顧激發效果與記錄質量，研究團隊會在今后進一步優化材料與光學設計。

圖3 光電偽影活體表征。（a）光電極植入活體小鼠后進行同步光輻照與電生理采集實驗（未注射病毒）；（b）LFP和AP頻段在光輻照時的波形

光遺傳學刺激與電生理記錄同步驗證

在注入了光遺傳病毒的小鼠中，研究團隊用473 nm激光脈沖進行光刺激，并同步記錄該腦區神經元放電情況。數據分析發現，在激光脈沖照射期間，神經元發放率顯著上升，表明這種光電極對神經元活動具有確切的調控和記錄功能。對于干擾部分，研究團隊也驗證了模板減法、主成分分析等方法在后端數據處理中可以起到良好的去偽影效果。

圖4 光遺傳調控與同步電生理記錄實驗驗證。（a）光遺傳調控示意圖；（b）LFP和 AP頻段在光刺激時的波形；（c）光電偽影功率譜密度（光脈沖從0.1 s開始持續100 ms）

總結與展望

研究團隊表示，該新型光電神經接口有望廣泛應用于神經環路機理探究、神經退行性疾病模型研究，以及腦機接口等領域。在今后的研究中，團隊將著力于：

1、電極材料表面修飾及新材質探索，如石墨烯、Pt-Black/PEDOT等材料或表面鍍膜，可更有效降低光電偽影。

2、光學結構與多通道設計，如增加錐形光纖的通道數量，或優化光耦合結構，實現更精準、更大范圍且均勻的光輻照。

3、智能算法與長時程數據分析，如借助機器學習和大數據分析，對光遺傳與電生理記錄進行更深入的模式識別，攻克噪聲與偽影難題。

此次研究成果不僅為高精度神經網絡研究提供了新方法，也為日后更復雜、更可控的植入式神經調控設備帶來了新的希望。論文作者指出，隨著技術的不斷成熟，這一融合光遺傳學與超柔電極的多模態神經接口或將成為未來腦科學與臨床神經醫學研究中的關鍵突破口。研究團隊同時呼吁，若有更多領域的學者及產業合作方能加入，將共同推進該新型光電神經接口在基礎科研和醫療應用中的落地與升級。

參考文獻： 中國光學期刊網

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