腦機接口離體芯片是在多通道微電極陣列（Microelectrode Array，MEA）上進行體外神經元培養，從而形成神經網絡與人造設備間的通訊機制，是腦機接口方向的一種典型直接神經接口，不僅可以實時獲取神經元的信息活動動態變化，為體外神經網絡信息檢測提供一種高通量、高信噪比和較好生物相容性的檢測工具，還能很好地與藥物調控、電調控等技術相結合來探究調控下神經系統的活動，在腦科學、腦機交互和生命健康領域具有重大科學意義和重要的應用前景。然而，離體神經元檢測與調控的高效器件和芯片的缺乏，許多腦功能在細胞與網絡層面的機制并不明確。通過新型納米復合材料的定向修飾能夠大幅度提升微電極陣列的相關性能，從而為設計并研制先進的腦機接口芯片提供重要思路。

據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院空天信息創新研究院蔡新霞團隊和中國醫學科學院基礎醫學研究所許琪團隊合作，制備了一款用于高通道的微電極陣列，適用于體外培養神經元或腦切片的信息檢測與調控。結合了PEDOT:PSS/PtNPs納米功能材料，研制出低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲容量、高最大電荷注入密度的腦機接口，可實現精準、安全的電調控海馬神經元產生刺激下的學習功能，并因其高時空分辨的能力記錄到神經元學習過程中電生理特征和記憶曲線，進而探究了大腦學習潛在的神經機制。相關成果以Supplementary Cover形式發表在領域重要期刊ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES上。

首先，研究人員通過微加工工藝制備了高通道的微電極陣列。材料方面選用了透明石英玻璃基底、Ti/Pt導電層、SiO?/Si?O?絕緣層和納米復合材料界面層。此外，電極陣列包含128個直徑為30μm的檢測位點，可檢測微弱的神經元信號。研究中對比了PEDOT:PSS、PEDOT:PSS/AuNPs和PEDOT:PSS/PtNPs三種納米復合材料的神經界面在神經調控與神經檢測方面的性能。PEDOT:PSS/PtNPs神經界面具有低阻抗、小相位延遲、高電荷存儲容量、高最大電荷注入密度、良好穩定性和生物相容性，有效提高微電極檢測與調控性能，有利于神經信號的調控與檢測。

圖1 用于研究腦功能的離體腦機接口平臺

圖2 MEA的制造和修飾示意圖

（a）基板清洗；（b）通過第一次光刻在基板上形成微電極、導線和接觸墊的圖案；（c）濺射Ti/Pt導電層；（d）剝離金屬層；（e）PECVD沉積絕緣層；（f）CHF?蝕刻暴露微電極和接觸墊；（g）PEDOT:PSS電化學沉積到微電極上；（h）PtNPs沉積到PEDOT:PSS層上；（i）高通道微電極陣列；（j）微電極的內部布局。

為了確認激活神經元的最佳電刺激模式，多種參數的電刺激被應用于海馬神經元。如圖3所示，通過評價刺激后神經元的尖峰放電速率、局部場電位功率和刺激后事件直方圖（PSTH）。確定了幅度為±300mV、脈寬為200μs、頻率為1Hz的雙極性電壓脈沖序列是能夠激活神經元學習的有效模式。

圖3 不同頻率電刺激對海馬神經元點活動的影響

（a）刺激前、0.2Hz刺激后、1Hz刺激后和5Hz刺激后神經元尖峰和LFP功率信號的變化；（b）刺激前、10Hz刺激后、20Hz刺激后和50Hz刺激后神經元尖峰和LFP功率信號的變化；（c）1Hz刺激的刺激后事件直方圖；（d）0.2Hz刺激的刺激后事件直方圖。

進一步研究發現，海馬神經元在多個訓練電脈沖序列以后表現出學習逐漸加深的特征，在神經電生理上具體表現神經元放電越來越趨向簇狀放電的情況（圖4）。

圖4 海馬神經元在學習訓練后的電生理特征

（a）訓練前、第一次訓練后、第二次訓練后和最后一次訓練后的尖峰放電圖；（b）訓練前、第一次訓練后、第二次訓練后和最后一次訓練后海馬神經元的聯合尖峰間隔分布圖。

并且神經元學習后，可培養在多通道微電極陣列上的神經元活動之間的相關性與同步性（圖5a和5b）。通過以上結論，研究人員推斷出神經元在學習過程中它們之間的聯系在不斷的加深，就如同人在學習事物時，大腦不同區域產生協同作用最終將事物記下。

此外，研究發現，在撤去誘導神經元學習的訓練后，神經元依然能保持著刺激引發的高簇狀放電的特征（圖5c）。這貼合人類學習一件事情的記憶曲線。

圖5 學習訓練后海馬神經元之間放電的同步性，以及神經元尖峰和爆發放電的記憶曲線

（a）網絡同步指標動態變化的過程；（b）不同階段的歸一化平均同步指數（n=30，***p<0.001）；（c）訓練期間和訓練后四小時的射擊率和爆發率（n=5）。

總體而言，基于PEDOT:PSS/PtNPs的高通道微電極陣列組成的腦機接口離體芯片具有良好的生物相容性，與活體腦機接口芯片相比倫理道德的束縛更小，作為重要的研究工具在腦重大疾病、新型藥物研制、新一代人工智能和器官芯片等諸多重要研究領域具有更加廣闊的應用前景。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c23170

審核編輯 ：李倩