《Science》子刊：水凝胶封装轴突束的光控“活电极”，用于突触脑机接口

脑机接口的概念已经出现很多科幻作品中。而在医学领域，通过电刺激来进行神经调节或捕获大脑中的神经元活动的神经记录的神经接口已在医疗应用领域开发，用于帮助减轻帕金森氏病、癫痫病和其他神经退行性疾病的影响。两个显著的成果包括为听力障碍者提供人工耳蜗和为神经肌肉疾病患者提供思想驱动的计算机控制。现有植入式的微电极主要无机物，并且利用电刺激进行调节。这种电神经调节受限于无法在电荷注入量内靶向特定神经元或神经元亚型。虽然光遗传学可以在一定程度上改善神经调节的特异性，但是组织的光散射特性会阻止深度超过几百微米的神经元的精确光刺激。并且在与大脑的兼容性，靶标特异性和长期稳定性等方面都依然存在挑战。为了解决这些问题，美国宾夕法尼亚州大学D. Kacy Cullen教授团队开发了可植入的“活体”电极，这种电极由活动的皮层神经元和软水凝胶圆柱中受保护的轴突束组成，用于光学生物监测和大脑活动的调节。相关成果以“Development of optically controlled“living electrodes”with long-projecting axon tracts for a synaptic brain-machine interface”为题，发表在顶尖学术期刊《Science Advances》上。

【微组织工程化神经网络μTENN】

微组织工程化神经网络μTENN包括水凝胶微柱和其内部的活的神经元聚集体和细胞外基质管腔。μTENN是通过三相过程构建的。在定制的丙烯酸模具中形成具有指定几何形状的琼脂糖微柱，冷却脱模后形成空心结构。然后把它们接种悬浮在生长培养基中的游离皮质神经元后在体外培养至神经元在微柱内部随机形成簇。

图1. μTENN的制备和其作为可移植的输入/输出通道的示意图

在实践中，植入的μTENN可能需要与大脑表面以下几毫米处的靶标结合，因此在三维微环境中建立长轴突以及对这些轴突生长动力学的表征对实际应用至关重要。相显微镜显示了通过ECM核心在所有基于聚集体的μTENN上健康且快速的轴突生长。表达了GFP和mCherry的具有双向结构的μTENN被设计出来，以表征μTENN结构随时间的变化和追踪交叉聚集的神经突向外生长和整合。免疫标记表明双向μTENN内的神经元达到了成熟状态，即在轴突生长后能够同时发生聚集内和聚集间突触。

图2. 双向的μTENN用GFP（绿色）和mCherry（红色）进行标记，以观察体外聚集体特异性轴突的生长和结构。

【体外钙成像和光刺激】

在没有外部刺激的情况下，表达钙报告基因GCaMP6f的双向μTENN在δ谱带及以下表现出自发振荡。突触蛋白表达的丰富性以及聚集体直接的振荡同步支持了以下结论：基于聚集体的μTENN形成具有连贯结构的功能性突触网络，这种结构可以在神经元和聚集体水平上观察到。双向μTENN经过工程改造后，也可以通过ChR2转导一种聚集体和在RCaM中转导相反的聚集体来实现体外的光刺激和同时的钙成像。

图3. 聚集的μTENN的体外钙成像和光刺激。

【植入和活体钙成像】

为了验证其作为活体电极存活和体内功能的概念，基于聚集体的μTENN，被转导以表达GCaMP6，并通过立体定向显微注射植入啮齿动物中。μTENN输送后，将颅窗固定在附着于周围颅骨的定制PDMS环件上，以允许对背部μTENN聚集体和周围进行重复无创监测。使用多光子显微镜对动物进行无创成像，该动物使用可控的异氟烷控制麻醉，并进行仔细监测。急性术后荧光成像证实，大部分背骨聚集在原始植入物位置仍完整无损。在啮齿动物脑中注射后1周和1月后，光学清除的切片的组织中免疫组织化学表明μTENN神经元存活并维持了预先形成的体轴突结构。

图4. 活电极在体内的存活和整合。

总结：作者使用光遗传学和组织工程学技术来创建水凝胶封装功能性轴突神经元群体的活体电极，并展示了其体外生物制造和靶向递送和存活率场景。在活体实验中，可以实现体内光驱动的突触传递的神经调节的传递。这些研究为定向移植的神经接口转化工具的实用性奠定了基础。

来源：高分子科学前沿

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