科技日報記者 張夢然

美國哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊設(shè)計并測試了一種稱為“賽博胚胎”的柔性電極神經(jīng)信號記錄平臺。這是一種專為發(fā)育中的大腦“量身打造”的生物電子平臺，可通過胚胎發(fā)育實現(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)為是首個實現(xiàn)對非透明胚胎中發(fā)育期大腦活動進(jìn)行毫秒級電生理記錄的技術(shù)突破，為研究神經(jīng)發(fā)育機制、理解相關(guān)疾病以及推動腦機接口技術(shù)發(fā)展提供了全新工具。

該系統(tǒng)的獨特之處在于其出色的機械適應(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。團(tuán)隊選用了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)家對神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育階段的電活動了解極為有限。而這項新技術(shù)就像一臺穩(wěn)定的攝像機，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)形成的完整過程，時間分辨率可達(dá)單次放電級別，空間覆蓋多個腦區(qū)。

研究團(tuán)隊從發(fā)育生物學(xué)中獲得啟發(fā)，利用脊椎動物胚胎發(fā)育過程中“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。實驗表明，這一方法不僅實現(xiàn)了無縫集成，還不會干擾大腦的正常發(fā)育和功能。

該平臺已應(yīng)用于多種脊椎動物模型，包括非洲爪蟾胚胎、小鼠胚胎和新生大鼠神經(jīng)系統(tǒng)，在不同物種中實現(xiàn)了穩(wěn)定的電生理記錄。特別是在脊髓損傷再生實驗中，研究團(tuán)隊觀察到類似發(fā)育過程的神經(jīng)活動模式，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

人們一直想知道，神經(jīng)系統(tǒng)如何萌芽、生長、組成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于缺乏有效的監(jiān)測手段，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)計了一種柔性電極神經(jīng)記錄平臺。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）記錄整個大腦神經(jīng)電活動，相當(dāng)于為神經(jīng)生長拍攝一部紀(jì)錄片。依托這一平臺，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)對腦部疾病、腦機接口開發(fā)和神經(jīng)如何再生的理解。