科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種稱為“賽博胚胎”的柔性電極神經(jīng)信號(hào)記錄平臺(tái)。這是一種專為發(fā)育中的大腦“量身打造”的生物電子平臺(tái)，可通過(guò)胚胎發(fā)育實(shí)現(xiàn)全腦探針植入。其有望揭示胚胎是如何隨發(fā)育逐步建立起神經(jīng)環(huán)路的，以及神經(jīng)環(huán)路與復(fù)雜行為之間的關(guān)聯(lián)。該成果在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義，相關(guān)研究作為封面文章發(fā)表在新一期《自然》雜志上。

這一成果被認(rèn)為是首個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)非透明胚胎中發(fā)育期大腦活動(dòng)進(jìn)行毫秒級(jí)電生理記錄的技術(shù)突破，為研究神經(jīng)發(fā)育機(jī)制、理解相關(guān)疾病以及推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展提供了全新工具。

該系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于其出色的機(jī)械適應(yīng)性，能夠隨著大腦從二維結(jié)構(gòu)向三維形態(tài)轉(zhuǎn)變同步調(diào)整，從而穩(wěn)定地記錄腦電活動(dòng)。團(tuán)隊(duì)選用了PFPE作為電極絕緣層，這種氟化彈性體不僅具備極高的柔韌性和良好的生物相容性，還支持亞微米級(jí)金屬線路的高精度制造。目前，由該材料制成的柔性電極已在人腦記錄中展現(xiàn)出優(yōu)異性能。

此前，由于缺乏合適的記錄手段，科學(xué)家對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育階段的電活動(dòng)了解極為有限。而這項(xiàng)新技術(shù)就像一臺(tái)穩(wěn)定的攝像機(jī)，能夠連續(xù)、清晰地捕捉從神經(jīng)元初現(xiàn)到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)形成的完整過(guò)程，時(shí)間分辨率可達(dá)單次放電級(jí)別，空間覆蓋多個(gè)腦區(qū)。

研究團(tuán)隊(duì)從發(fā)育生物學(xué)中獲得啟發(fā)，利用脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中“神經(jīng)胚形成”階段的自然變化，將超薄、可拉伸的電極陣列嵌入胚胎神經(jīng)板中。隨著神經(jīng)管閉合，電極也隨之折疊、展開，最終與三維腦組織高度整合。實(shí)驗(yàn)表明，這一方法不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫集成，還不會(huì)干擾大腦的正常發(fā)育和功能。

該平臺(tái)已應(yīng)用于多種脊椎動(dòng)物模型，包括非洲爪蟾胚胎、小鼠胚胎和新生大鼠神經(jīng)系統(tǒng)，在不同物種中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的電生理記錄。特別是在脊髓損傷再生實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)觀察到類似發(fā)育過(guò)程的神經(jīng)活動(dòng)模式，顯示出該系統(tǒng)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

總編輯圈點(diǎn)

人們一直想知道，神經(jīng)系統(tǒng)如何萌芽、生長(zhǎng)、組成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段，我們很難探知大腦發(fā)育之初發(fā)生了什么。此次，科研人員設(shè)計(jì)了一種柔性電極神經(jīng)記錄平臺(tái)。能在活著的、正在發(fā)育的胚胎內(nèi)部，以極高清晰度（毫秒級(jí)）記錄整個(gè)大腦神經(jīng)電活動(dòng)，相當(dāng)于為神經(jīng)生長(zhǎng)拍攝一部紀(jì)錄片。依托這一平臺(tái)，我們不僅能清晰看到大腦內(nèi)的“電路”如何搭建，還能增進(jìn)對(duì)腦部疾病、腦機(jī)接口開發(fā)和神經(jīng)如何再生的理解。