發布時間：2023-10-28
2023年10月23日，《Advanced Science》期刊在線發表了題為《植入式超柔性神經界面在脊髓內穩定的信號記錄與解碼》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、李雪研究組完成。該研究使用先進的微納加工工藝結合無基底多層加工技術，設計并制作了超柔性脊髓界面，將其植入小鼠脊髓前角內進行長達一年的信號記錄。該電極能夠在不對動物引入行為學影響的前提下穩定提取脊髓內高帶寬運動信息。該研究首次研發了超柔性脊髓神經界面，填補了脊髓內高通量長期穩定單細胞記錄工具的空白，成功實現了與脊髓內神經元的長期有效交互。
脊髓是連接大腦與周圍神經的重要中樞。脊髓內脆弱的神經元與脊柱較大的運動幅度，為脊髓界面的開發創造了極大的難度，一直沒有能夠實現長期穩定、高通量、高帶寬信息交互的脊髓界面。因此，研發長期穩定單細胞尺度的脊髓內神經界面是亟待解決的問題。
傳統的脊髓界面主要分為兩類，一是能夠募集場電位信號并位于硬脊膜外的電極，二是可以直接進行單細胞動作電位信號記錄的脊髓內電極。與硬脊膜外電極相比，脊髓內電極具有更加優異的空間分辨率，從而能夠提取到更加精準的運動信號，并實現更加復雜的運動解碼與更加精細的運動調控。然而，傳統的植入式硬質脊髓電極因其與脊髓神經組織之間存在顯著的機械強度不匹配問題，往往會誘發強烈的免疫反應并在脊髓界面形成明顯的瘢痕組織，最終在長期穩定的記錄與調控方面失能。此外，脊髓存在較大的運動形變，使得電極容易發生脆斷和失效。
為克服這些難題，李雪研究組引入微納加工工藝設計和制造脊髓神經界面，極大地降低了界面厚度，有效解決了界面與脊髓機械強度不匹配的問題，同時使用SU8和聚酰亞胺等多聚物基底材料，顯著增加了電極的抗疲勞與抗老化能力（圖a）。通過長達一年的脊髓前角內運動信號的追蹤，驗證了超柔性脊髓界面的記錄穩定性（圖b-d），超薄的多聚物材料使超柔性脊髓界面有接近于細胞遷移力的彎曲力，極大地提升了電極的組織兼容性，其三重免疫熒光染色結果顯示了界面周圍的微不可察的炎癥反應與未見密度變化的神經元顯位（圖e）。
為了進一步研究超柔性脊髓界面的記錄有效性，團隊成員通過該界面提取了小鼠在跑輪運動中的脊髓內單細胞信號，并記錄了同步的后肢多關節的運動軌跡（圖f）。通過比較長短期記憶網絡模型對多寬帶神經信號的分段解碼結果，發現利用脊髓內信號解碼出的多關節坐標有較高的準確率。（圖g），例如基于動作電位信號的解碼的腳部運動軌跡R2可以達到0.95（圖h）。在進一步的神經軌跡分析中發現，單細胞神經信號與各波段LFP信號在PCA降維分析中呈現不同的神經軌跡（圖i）。
該研究成功填補了脊髓內長期穩定單細胞記錄工具的缺口，首次研發出超柔性脊髓神經界面，并證明了其在脊髓前角內的高通量、高帶寬、良好的生物兼容性及高魯棒性的特點。該研究為脊髓內神經環路基礎研究提供了有力工具，為脊髓損傷、帕金森、漸凍癥等運動障礙相關神經系統疾病的臨床治療干預方法開辟了新的路徑。
該研究由博士后研究生樊杰、李肖城與助理研究員王培羽，在李雪研究員的指導下完成，研究組的其他成員積極參與，是研究組成員通力合作的重要成果，并得到了腦智卓越中心趙鄭拓研究員的大力協助。該研究獲得中國科學院、上海市政府、科技部、基金委的資助。
圖注 (a) 超柔性脊髓界面手術圖。(b) 超柔性脊髓界面急性記錄結果。(c) 超柔性脊髓界面的9周內信號追蹤情況。(d) 超柔性脊髓界面在植入后一年后的記錄情況。(e) 超柔性脊髓界面植入誘發的免疫應答情況。(f) 脊髓神經信號解碼行為范式與解碼流程示意圖。(g) 利用脊髓內神經信號的解碼后肢運動軌跡情況。(h) 利用脊髓內神經信號的解碼準確率情況。(i) 脊髓內神經信號降維后的神經軌跡。
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