脑芯片结合电极和微流体：首个同时测量电信号和化学信号的设备

KOREA INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(KIST)

神经元利用电脉冲和化学物质相互交流。分析两者对于研究大脑功能和发现脑部疾病至关重要，但今天的植入物只能测量其中一种。

近日，韩国的研究人员展示了首个能够测量活体动物大脑同一局部区域的电信号和化学信号的设备——双峰MEMS神经探针，可以测量大脑中的电荷和神经化学物质，还可以实时注射药物。他们在老鼠身上测试了芯片，芯片比四分之一美元硬币还小。

韩国科学技术研究院脑科学研究所的Il-Joo Cho说：“我希望我们的新技术能够为深入研究大脑功能以及研究与大脑疾病相关的神经回路提供各种研究机会。”

Cho说，测量神经递质（神经元间传递信号的化学物质）的浓度可以对大脑功能提供关键的见解。例如，帕金森病患者的5-羟色胺、多巴胺和其他神经递质水平低于正常人。在精神分裂症患者中，释放多巴胺的神经元比典型的大脑活跃得多。但今天测量这些神经递质水平需要将带有流体通道的探针插入大脑以收集脑液，然后使用光谱学等技术进行分析。这很慢，而且毫米宽的探头会导致组织损伤。

记录大脑的电信号更简单。它可以使用植入目标大脑区域的超薄柔性聚合物神经探针或连接到头皮的金属电极来完成。

多年来，科学家们已经建立了各种大脑植入物，可以测量大脑的电信号来预测癫痫发作，测量pH值来确定和调整多巴胺水平，他们已经看到了一些小型、电控、泵式装置的成功，这些装置可以在需要时快速向大脑输送神经递质。

但是，能够同时测量电气和神经化学信号的设备很难获得。一个研究小组最近报道了基于MEMS的微型取样装置，该装置可以收集细胞外液体而不损伤组织，但这些装置不能记录电信号。

Cho说，在体内破译这两种信号之间的定量关系对神经科学研究很有价值。例如，它将允许神经科学家研究药物对特定类型脑细胞活动的影响。他说，以前只有通过分析大脑切片才能做到这一点。

并且，Cho表示，他们的设备是第一个能够测量活体动物大脑同一区域的电信号和化学信号的设备。该设备有一个探针，阵列上有12个电极用于记录电信号，还有两个内置的微流控通道用于收集脑液。

该探针只有40微米厚，其横截面积为先前制作的探针周长的三分之一甚至四分之一，可将插入大脑过程中的组织损伤降至最低。该设备还有一个微流控接口芯片连接到探针上，用于将药物输送到现场。

在对活老鼠的实验中，Cho和他的同事提供了药物来调节目标大脑区域的神经回路。他们实时观察电信号的变化，并测量每20分钟采集的脑液样本中的神经递质水平。

当他们注射氯化钾溶液时，已知该溶液能刺激神经元，电信号以更快的速度发射，两种神经递质的浓度也显著增加。当他们注射一种已知能抑制神经回路的抑制性药物时，情况正好相反。研究人员在《生物传感器和生物电子学（Biosensors and Bioelectronics）》杂志上介绍了他们的设备和实验结果。

Cho说，研究小组现在计划增加一种实时神经递质监测能力。这将使他们能够实时评估电信号和化学信号之间的相关性。

虽然该系统目前适用于动物实验，但可以通过添加一些附加功能来扩展系统的实用性。一项潜在的改进是增加实时神经递质监测功能，用于在线分析电和化学活动之间的相关性。探针主体上的生物传感器的集成将实现实时化学检测能力。

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