纳米技术助力探索大脑中的“星辰大海”

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文 | 追问NextQuestion

人们的大脑里有着数百亿个神经元，它们宛如浩瀚宇宙中的群星，以极其纷繁复杂的形式相互连接，构成了一个复杂而精妙的仪器，控制着人们每一瞬间的思绪与活动。受限于记录神经活动的技术工具的尺寸与精细程度，过往对于大脑不同层级的研究以及对于脑部疾病的精准干预都存在“瓶颈”，而纳米材料与技术的出现和发展成为了改变这种困境的有力工具。纳米材料的小尺度效应，使其在磁学、电学、力学等方面呈现出与传统材料迥然不同的性能，依此设计的纳米探针、纳米电极等也使大规模记录神经元的活动不再遥不可及。

2023年8月18日，天桥脑科学研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）和哥伦比亚大学神经技术中心（NTC）、多诺斯蒂亚国际物理中心（DIPC）联合举办了在线学术会议NanoNeuro 2023。本次会议上，来自北京大学的段小洁研究员做了题为“纳米技术实现的全脑神经接口（Nano-enabled brain-wide neural interfacing）”的精彩报告，与大家分享了利用纳米材料与技术实现的微创大规模生物电位记录和磁共振兼容的深部脑刺激（DBS）两方面的最新研究成果。

高信号质量与微创，能否兼得？

人类行为并非单一脑区活动的结果，而是基于全脑多个脑区和网络的协同参与。以视觉认知为例，位于枕叶的视觉皮层除了接收来自外部的视觉输入，还会接收负责物体识别、运动检测、视觉注意等功能的多个脑区的信号输入，这些脑区共同作用从而形成对外部视觉信息的最终感知。因此，想要全面理解人类行为，全脑神经活动的记录至关重要。

目前常用的记录全脑活动的神经成像技术主要包括脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、功能性磁共振成像（fMRI）和近红外脑功能成像（fNIR）等非侵入性技术，但这些技术记录的信号都有一定的局限性。例如，fMRI和fNIR并非记录直接的大脑活动，而是以血氧水平依赖信号（BOLD signal）作为神经活动的间接测量，并且其时间分辨率只能达到秒级别；EEG和MEG虽然具有毫秒级别的时间分辨率，其信号的空间分辨率和带宽却十分有限。

与非侵入性技术不同，皮层脑电图（ECoG）是一种将电极阵列直接放置在大脑皮层表面来记录大脑信号的技术，需要在颅骨上开一个切口暴露大脑表面进而将电极植入。ECoG具有较大的皮层覆盖范围，记录到的信号具有毫秒级别的时间分辨率和毫米级别的空间分辨率，以及上至500 Hz的高带宽，在信号数据质量方面表现出了显著的优越性。然而，植入电极前的开颅手术和硬脑膜切开术可能给患者带来包括颅内感染、炎症反应、脑水肿或脑血肿等多种风险，而电极的长时间植入也可能损害植入区域附近的血管连接与大脑结构，甚至引起患者行为功能的变化。因此，ECoG的侵入性和手术风险限制了它在临床与科研中的应用范围。

为了解决这些问题，段小洁研究员团队开发了一种新型超薄、可形变的柔性电极阵列（shape-changing electrode array），简称SCEA，使得以最小创伤实现大面积的ECoG信号记录成为可能。SCEA使用可伸展的碳纳米管和金作为导电层，通过与一个形态调节装置相结合，在颅外实现将电极阵列从厘米级别大小的薄片压缩成只有几毫米宽的条状，这样具有开创性的巧妙设计使电极在颅骨仅开一个小孔的情况下便可插到皮层表面。随后，在形态调节装置的辅助下，SCEA条带完全展开，形状变回超薄片状，从而在皮层表面形成大面积共形界面，进一步实现硬膜外或硬膜下的大脑活动记录（图1）。

▷图1：SCEA的植入过程。图源：参考文献1

SCEA的微创性在小型动物大鼠和大型动物比格犬中都得到了验证。段小洁研究员团队成功通过颅骨中仅2mm×0.8mm的开口将SCEA植入到大鼠右侧大脑半球硬膜外，并通过仅有6mm长的硬膜裂缝将厘米级别大小的SCEA植入比格犬的大脑硬膜下。更重要的是，电极植入过程中均没有观察到出血或者对大脑组织和血管的破坏，表明手术过程没有给大脑带来急性损伤。同时，对比电极阵列形态改变前后，发现仅有很小一部分电极的电阻在形变后升高，表明形变后电极阵列的功能仍然可保持正常，信号质量维持稳定。在术后1-4周和第8周，对植入电极的大鼠大脑进行MRI扫描和组织学分析，仅观察到十分轻微、短暂的炎症反应，证明不仅SCEA的植入过程是微创的，SCEA还具有高度的慢性生物相容性，克服了现有ECoG在对大脑造成急性和慢性损伤方面的挑战。

因此，SCEA具有以微创和高度生物相容的方式获取高时空分辨率、高带宽和高信号质量的大规模生理或病理皮层活动的能力，使之在大脑的基础研究、脑机接口的研发等一系列应用中具有显著的优越性与广阔的前景。

DBS与fMRI能否成为“完美拍档”？

DBS常用于治疗运动障碍性疾病（如帕金森病），也被发现对难治性抑郁症具有一定的疗效。尽管DBS已经在临床中被广泛应用，对于电刺激的治疗机制和神经调节作用仍然了解甚少。对脑内特定靶点进行电刺激会在局部和全脑水平引起各种效应，仅依靠局部记录到的电生理信号无法对这些效应进行全面研究，DBS和fMRI联用（DBS-fMRI），则可以实现对全脑活动的捕捉，了解大脑局部和整体的功能状态和连接模式的变化，解释功能性电刺激对于神经疾病的治疗机制。

然而，fMRI和DBS的结合存在一大障碍：许多金属电极由于材料的磁敏感性与水/组织之间的磁敏感性不匹配，会引发强烈的磁场干扰，使电极周围区域的成像产生严重的伪影或扭曲变形；除此之外，刺激电极的尺寸也是伪影大小和严重程度的重要影响因素。

为了解决这个问题，段小洁研究员团队开发了以石墨烯纤维（graphene fiber，GF)）为材料的微电极，用于DBS-fMRI的同步联用。与传统铂铱（Pt-Ir）电极不同，石墨烯电极的磁敏感性与水相近；同时，石墨烯纤维刺激电极还展现出了很高的电荷注入能力和很强的稳定性。更重要的是，在帕金森病大鼠模型中，利用该电极进行DBS-fMRI同步联用，不仅帕金森大鼠的运动障碍有明显改善，同时GF微电极也展现出了很强的MRI兼容性，在T2图像和EPI图像中伪影大小分别是铂铱电极的1/8和1/4；与其他电极材料如钨等相比，石墨烯纤维电极造成的伪影也更小（图2）。

▷图2：石墨烯纤维（GF）电极与其他材料电极的MRI/fMRI成像的伪影大小比较。图源：讲者PPT及参考文献2

接着，段小洁研究员介绍了实验室在抑郁症方面做的研究。外侧缰核（lateral habenular nucleus，LHb)是大脑内的一个“反奖赏中枢（anti-reward center）”。近年来，对于难治性抑郁症治疗的研究发现，以LHb为刺激靶点的DBS治疗（LHb-DBS）具有快速抗抑郁效果，但其治疗的相关机制仍然是一个未解之谜。同时，LHb在人脑内是一个大约仅有3mm×3mm×3mm大小的核团，而现有的用于病人身上的DBS电极直径约为1.28mm，使得现阶段在病人被试身上进行LHb-DBS研究依然充满挑战。

研究人员将新开发的石墨烯纤维电极植入两种抑郁症大鼠模型的LHb中，并进行MRI/fMRI扫描，与上一个实验相同，图像中GF电极带来的伪影很小，这种MRI兼容性使研究人员可以在MRI结构像（T2）上轻松且准确地验证电极在LHb中的植入位置（图3），并且采集到高质量的EPI数据，即能够完整且无偏倚地反映全脑激活模式的功能数据。在疗效方面，当通过DBS电极在LHb中施加高频电刺激时，大鼠的抑郁样症状在几秒到几分钟内迅速得到缓解，具体表现为蔗糖偏好的显著增加、强迫游泳测试中静止时间的减少以及自主活动的增加。

▷图3：利用fMRI研究LHb-DBS对抑郁症大鼠模型的影响。图源：参考文献3

为了进一步揭示LHb-DBS快速抗抑郁效果背后的机制，研究人员通过DBS-fMRI同步联用对植入DBS电极后行为改善的大鼠进行扫描，发现LHb-DBS激活了LHb传入和传出环路中的多个区域，包括位于边缘系统、5-羟色胺能系统和多巴胺能系统中的多个区域。此外，他们还观察到了三个与LHb没有直接连接的区域中的激活，包括扩展杏仁核（sublenticular extended amygdala，SLEA)、扣带皮层（cingulate cortex，Cg）和压后皮层（retrosplenial cortex，RS）。更重要的是，研究人员在fMRI神经信号数据与行为数据的关联性分析中发现，与内侧LHb相连的脑区的BOLD激活水平与大鼠抑郁行为的改善程度显著相关，而在与外侧LHb相连的脑区中则没有发现这样的相关性。

基于T2图像对电极位置的定位，研究人员进一步根据电极在LHb中的植入位置将实验大鼠分为内侧、居中和外侧三组进行对比，发现了DBS刺激的位置越接近LHb的内侧，所产生的的抗抑郁效应则更强（图4）。这项研究成果揭示了内侧LHb可能是DBS实现快速抗抑郁治疗的重要靶点，为包括难治性抑郁症在内的多种神经系统疾病的DBS治疗策略提供了新见解，并进一步证明了使用石墨烯纤维作为电极的DBS-fMRI同步联用为DBS治疗机制和调节效应的转化研究提供了强大的工具平台与技术路径。

▷图4：DBS电极在LHb内的不同植入位置对抑郁症大鼠的行为改善和部分脑区的BOLD激活水平的影响。图源：参考文献3

最后，段小洁研究员强调，无论是微创且具有高时空分辨率的大规模电极阵列的开发，还是应用磁共振兼容的DBS电极进行疾病治疗机制的研究，都离不开纳米材料和精密加工技术的使用与发展，纳米材料的创新应用和加工技术的日新月异将不断拓宽脑科学与脑机接口研究的边界。

参考文献

• Wei, S. et al. Shape-changing electrode array for minimally invasive large-scale intracranial brain activity mapping. bioRxiv, doi:10.1101/2023.06.29.547140 (2023).
• Zhao, S. et al. Full activation pattern mapping by simultaneous deep brain stimulation and fMRI with graphene fiber electrodes. Nat Commun 11, 1788, doi:10.1038/s41467-020-15570-9 (2020).
• Li, G. et al. Instantaneous antidepressant effect of lateral habenula deep brain stimulation in rats studied with functional MRI. Elife 12, doi:10.7554/eLife.84693 (2023).

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