基于锥形光纤与超柔电极的新型光电神经接口

锥形光纤+超柔电极：打造更精准的脑科学工具

在神经科学研究中，光遗传学技术通过将携带光敏蛋白的病毒注入目标脑区，然后利用特定波长的激光激发或抑制神经元活动，能够实现高精度的神经调控。然而，如果要同步观察这些神经元在受到光刺激时的电生理信号，就需要将激光与电极“打包"到同一套装置中。但一旦激光照射到电极位点，往往会产生额外的光电伪影噪声，从而干扰真实神经信号的检测。

如图1所示，本次发布的光电神经接口采用了锥形光纤作为光源引导的载体，并结合拥有超低厚度与柔性的超柔电极。这样既能减轻脑组织创伤、提高生物相容性，又能在较低功率的光照下实现更广范围、更均匀的神经元激发。研究人员指出，锥形光纤输出的光场覆盖面积大幅提升，对脑组织的光照衰减也相对平口光纤更为平缓。

图1 光电神经接口实验系统。（a）光遗传刺激与电生理同步记录系统；（b）光电神经接口示意图

系统性离体实验：揭示光电伪影的关键因素

在本研究中，团队首先利用离体环境（包括磷酸盐缓冲液、不同奶粉含量的琼脂糖凝胶等）模拟脑组织中的光散射与离子成分。在不同光功率以及不同离子浓度环境下，测量了光电伪影的强度、频谱分布和对电极记录造成的影响，如图2所示，结果表明：1）激光功率越大，光电伪影越强。当光功率增至 20 mW 时，伪影峰值可超过数百微伏，主要对低频段（局部场电位，LFP）造成干扰。2）介质中离子种类与含量会放大伪影。研究发现，随着奶粉（内含金属离子）浓度的增大，伪影峰值也呈上升趋势，这与电极/电解质界面的法拉第过程和双电层效应密切相关。

图2 光电伪影的离体表征实验。（a）离体信号采集实物图；（b）光辐照期间 LFP 和 AP 频段数据；（c）不同通道中的光电伪影波形图

团队成员表示，这些离体实验数据为后续在体实验及光电极的改进提供了理论与实验依据。

活体验证：光电接口长时间稳定记录

为了进一步证明该光电极在真实神经组织环境中的表现，研究人员将新型光电极植入小鼠的CA1脑区，并进行了长达数周的追踪记录。结果显示：1）电极阻抗在初期波动，两周后趋于稳定。这是由于组织免疫炎症反应在植入前期比较明显，后期随愈合与适应逐渐减轻。2）低功率光刺激可有效激发神经元，同时干扰更小。实验表明，对于需要大范围激活神经元时会使用更高光功率，但光电伪影也随之增强。为兼顾激发效果与记录质量，研究团队会在今后进一步优化材料与光学设计。

图3 光电伪影活体表征。（a）光电极植入活体小鼠后进行同步光辐照与电生理采集实验（未注射病毒）；（b）LFP和AP频段在光辐照时的波形

光遗传学刺激与电生理记录同步验证

在注入了光遗传病毒的小鼠中，研究团队用473 nm激光脉冲进行光刺激，并同步记录该脑区神经元放电情况。数据分析发现，在激光脉冲照射期间，神经元发放率显著上升，表明这种光电极对神经元活动具有确切的调控和记录功能。对于干扰部分，研究团队也验证了模板减法、主成分分析等方法在后端数据处理中可以起到良好的去伪影效果。

图4 光遗传调控与同步电生理记录实验验证。（a）光遗传调控示意图；（b）LFP和 AP频段在光刺激时的波形；（c）光电伪影功率谱密度（光脉冲从0.1 s开始持续100 ms）

总结与展望

研究团队表示，该新型光电神经接口有望广泛应用于神经环路机理探究、神经退行性疾病模型研究，以及脑机接口等领域。在今后的研究中，团队将着力于：

1、电极材料表面修饰及新材质探索，如石墨烯、Pt-Black/PEDOT等材料或表面镀膜，可更有效降低光电伪影。

2、光学结构与多通道设计，如增加锥形光纤的通道数量，或优化光耦合结构，实现更精准、更大范围且均匀的光辐照。

3、智能算法与长时程数据分析，如借助机器学习和大数据分析，对光遗传与电生理记录进行更深入的模式识别，攻克噪声与伪影难题。

此次研究成果不仅为高精度神经网络研究提供了新方法，也为日后更复杂、更可控的植入式神经调控设备带来了新的希望。论文作者指出，随着技术的不断成熟，这一融合光遗传学与超柔电极的多模态神经接口或将成为未来脑科学与临床神经医学研究中的关键突破口。研究团队同时呼吁，若有更多领域的学者及产业合作方能加入，将共同推进该新型光电神经接口在基础科研和医疗应用中的落地与升级。

参考文献： 中国光学期刊网

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