过程工程所开发液/液界面超微离电器件实现脑内抑制性神经信号动态监测
动态监测脑组织中的抑制性神经信号是一项极具挑战的工作，这将有助于推进阿尔兹海默症和癫痫症等神经退行性疾病的发病机理的研究及诊疗方案的确立。过程工程所白硕研究员团队联合首都师范大学、北京大学、北京脑科学与类脑研究所等单位，共同开发出一种新型液/液界面超微离电器件（Liquid/liquid interfacial ultramicro iontronics，L/L UIs），首次在阿尔茨海默模型小鼠和癫痫模型大鼠脑内等活体上，对非电化学活性的氯离子（Cl-）实现了高灵敏、抗干扰、可逆、实时动态追踪，初步实现对抑制性神经信号的动态监测（图）。该研究为在脑组织内实现非电化学活性物质的追踪以及抑制性神经信号的监测提供了新思路。相关工作于12月4日发表在Science Advances上（DOI:10.1126/sciadv.adr7218）。
图 L/L UIs用于啮齿动物活体脑内氯离子的动态追踪
抑制性神经信号的动态监测对于理解大脑平衡机制具有重要意义，能帮助揭示神经抑制在神经网络调节、神经退行性疾病（如阿尔茨海默、癫痫）中的作用。然而，由于抑制性神经信号较弱、复杂且与兴奋性信号交织在一起，实时监测抑制性神经信号仍然是技术上的重大挑战。神经抑制信号的监测可以通过追踪参与神经抑制过程的Cl-等关键物质来实现。然而，Cl-在生理环境下为非电化学活性物质，即难以发生基于电子转移的氧化还原反应，因此难以在生理环境下对其实现动态监测，这也限制了抑制性神经信号的监测。
以电子为信号载体的传统电子器件（Electronics）仅能发生固/液界面上的电子转移反应，与之不同的离电器件（Iontronics）以离子作为信号载体，其与组织之间形成的液/液界面上不仅能发生电子转移，还能发生离子转移。研究人员首先在脑组织中构筑超微液/液界面，同时，将设计的可识别Cl-的双硫脲离子载体（IPECl-1, IPECl-2, IPECl-3）修饰在界面处，并将填充有机凝胶的超微玻璃电极尖端植入，构筑出用于生理环境下监测Cl-的超微液/液界面离电器件(L/L UIs)。首次在生理环境下对非电化学活性的Cl-实现了高灵敏、抗干扰、可逆、实时的动态追踪。随后，研究人员通过将L/L UIs精准植入到阿尔茨海默模型小鼠和癫痫模型大鼠的海马体、纹状体及皮层等特定脑区中，探究不同脑区之间Cl-浓度的差异。通过在阿尔茨海默模型小鼠的活体脑内动态追踪Cl-，L/L UIs证明了在神经抑制过程中扮演重要角色的钾-氯-共转运体2（KCC2）对脑内的Cl-浓度具有调控作用。
研究团队致力于开发可用于人机交互的凝胶基脑机接口器件，此前已开发出兼具导电性、粘附性、抗干扰性的多功能水凝胶基电子器件（Adv. Mater. 2023, 35, 2209606），可实现对脑部兴奋性神经信号的高质量监测。动态监测神经性和抑制性信号有助于深入揭示神经活动的调控机制，有望为神经疾病的早期诊断、个性化治疗及脑机接口技术提供关键依据。
首都师范大学讲师顾超越、硕士生孔凡镇，过程工程所副研究员梁森为共同第一作者，过程工程所研究员白硕、副研究员梁森，以及首都师范大学教授林雨青、讲师顾超越为共同通讯作者，其中白硕为最后通讯作者。该工作得到了中国科学院战略先导科技专项（XDB0520300，第一标注）、国家自然科学基金（22104095、22074095、22374103、22277121、22307117）、国家重点研发计划项目（2020YFA0112603）、北京市自然科学基金面上项目（2222005）和北京市教育委员会科学研究计划项目（KM202210028015）的支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr7218
（生物剂型与生物材料研究部）