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哈佛大学锁志刚教授与浙江大学汪浩教授EML:一种凝胶脑机接口
2019-07-17 来源:中国流变网    点击次数:530次    

  人们从未停止对大脑的探索。为什么人类可以思考?会有记忆?富有感情?这些让人类区别于其他生物的本质问题一直困扰着我们,而我们对这些问题的认识还非常的粗浅。人类大脑中起到电生理功能的细胞被称为神经元。他们的数目堪比银河中的星星,异常的脆弱并且不可再生。如何从结构如此复杂,生理上又如此脆弱的大脑中观察各个神经元的行为,是解决上述问题的先决条件。神经元主要拥有电行为。这些电行为的本质是带电离子在神经元细胞膜内膜外的迁移。而我们用来检测电信号的仪器由金属这种电子导体构成。神经元与检测仪器导电方式的不同会极大地增加接触电阻,造成检测信号的失真。上述种种要求使得我们需要拥有一种脑机接口来沟通有机的,柔软的,离子导电的神经组织和无机的,坚硬的,电子导电的检测设备。

  近日,哈佛大学锁志刚教授团队与浙江大学汪浩教授团队合作报道凝胶脑机接口。他们使用聚乙二醇作为凝胶网络,人工脑脊液作为凝胶基质,用以沟通神经元与金属设备(图1.a)。在神经元一侧,离子根据神经元的行为进出细胞膜,引起了凝胶中电荷的变化。而电荷的变化在金属一侧产生感应,驱使电子移动,从而产生可被感应的电流。文章首先复现了经典的膜片钳实验(图1.b,c)。凝胶电极采集到的信号和传统方法在波形和频率分布上都相对一致(图1.d,e,f),证明了凝胶脑机接口的可行性。该文章进一步实现了自由移动的小鼠的在体电生理记录,记录到的睡眠与觉醒信号与之前的文献一致。

图1. a. 凝胶脑机接口的基本原理。b. 在膜片钳实验中使用凝胶记录单个神经元细胞的电信号。c. 对应于图b的实验照片。d. 膜片钳实验记录到的信号。e. 凝胶电极与传统电极记录到的信号的平均波形对比。f. 凝胶电极与传统电极记录到的信号的频率分布对比。

  为比较生物相容性,文中将凝胶电极,神经生物学实验中常用的铂电极以及临床中常用的银电极植入小鼠脑的相同部位,在两周后对该部位下方组织进行切片并免疫组化(图2.a)。结果发现凝胶电极引发了最少的星胶细胞和小胶细胞(图2.b-d),从而证明了聚乙二醇-人工脑脊