利用TRAIN水凝膠微電極監(jiān)測自由運(yùn)動(dòng)動(dòng)物的脊髓神經(jīng)活動(dòng)，我們開發(fā)了集成三微電極的微型裝置，同步記錄小鼠脊髓L3區(qū)腹角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和后肢TA肌肉電信號(hào)（圖1a-c）。經(jīng)皮光刺激實(shí)驗(yàn)顯示，脊髓與肌肉電信號(hào)峰值變化與光強(qiáng)呈正相關(guān)（n=10，圖1d）。加速老化測試表明，微電極在pH 4-10和45℃環(huán)境中保持5周阻抗穩(wěn)定，機(jī)械性能無顯著差異。長期植入實(shí)驗(yàn)顯示，麻醉與清醒狀態(tài)下記錄的自發(fā)神經(jīng)棘波放電頻率從32.60Hz提升至51.33Hz，植入8個(gè)月后仍有效采集信號(hào)（圖1e-l）。自由運(yùn)動(dòng)小鼠實(shí)驗(yàn)中觀察到運(yùn)動(dòng)相關(guān)爆發(fā)棘波（圖1m-n），連續(xù)監(jiān)測證實(shí)單位波形特征在45天內(nèi)保持穩(wěn)定。

免疫組化顯示植入部位GFAP表達(dá)下降，IBA1表達(dá)維持穩(wěn)定。相較于傳統(tǒng)硬膜外電極，抗疲勞水凝膠微電極通過機(jī)械匹配組織特性（200%預(yù)拉伸，20%應(yīng)變耐受5000次循環(huán)）和穩(wěn)定導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性界面設(shè)計(jì)，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中有效減少組織損傷和運(yùn)動(dòng)偽影。

該技術(shù)同時(shí)記錄神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)的電活動(dòng)，為解析運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)制提供了直接關(guān)聯(lián)手段。

圖1:具有訓(xùn)練微電極脊髓電生理學(xué)。

結(jié)果與分析

所得各向異性水凝膠纖維（直徑為187±13μm）表現(xiàn)出耐疲勞性（在20%應(yīng)變下高達(dá)20,000次循環(huán)），拉伸性為64.5±7.9%，電化學(xué)阻抗較低（1 cm長1 kHz時(shí)為33.20±9.27 kΩ）。在光遺傳刺激期間，水凝膠微電極成功記錄了TA和GS肌肉的光誘發(fā)肌電圖（EMG）信號(hào)，信噪比分別為38.08和37.12。在自由運(yùn)動(dòng)的條件下，水凝膠微電極能夠同步記錄TA和GS肌肉的EMG信號(hào)，并與小鼠的運(yùn)動(dòng)行為相關(guān)聯(lián)。植入后八個(gè)月內(nèi)，水凝膠微電極仍能保持椎管內(nèi)電生理記錄的功能，證明了其耐用性和在神經(jīng)生理研究中進(jìn)行長期監(jiān)測的潛力。

總體結(jié)論

這種各向異性水凝膠微電極在體內(nèi)復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)力學(xué)下表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能和機(jī)械穩(wěn)定性。該技術(shù)提供了一種在自由移動(dòng)的動(dòng)物中進(jìn)行長期神經(jīng)監(jiān)測的解決方案，有助于深入理解神經(jīng)肌肉回路的活動(dòng)。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化水凝膠微電極的性能，并探索其在其他神經(jīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用。

思路延展

1.材料科學(xué)的進(jìn)一步優(yōu)化納米填料的選擇：探索其他高長徑比的導(dǎo)電納米材料，如石墨烯、金屬納米線等，比較它們的性能和適用性。水凝膠基質(zhì)的改進(jìn)：研究不同類型的聚合物基質(zhì)，如聚丙烯酰胺、聚氨酯等，評估其對導(dǎo)電性和機(jī)械性能的影響。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)：結(jié)合多種納米填料和聚合物基質(zhì)，設(shè)計(jì)具有更優(yōu)異性能的復(fù)合材料。

2.應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究：利用這種微電極技術(shù)研究帕金森病、癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的神經(jīng)活動(dòng)模式?？祻?fù)醫(yī)學(xué)：開發(fā)基于這種微電極的可植入神經(jīng)刺激裝置，用于中風(fēng)、脊髓損傷患者的康復(fù)治療。人機(jī)交互：探索這種技術(shù)在腦機(jī)接口（BCI）中的應(yīng)用，提升人機(jī)交互的自然性和精確性。

3.制造工藝的創(chuàng)新大規(guī)模生產(chǎn)：研究適合大規(guī)模生產(chǎn)的制造工藝，如3D打印、納米壓印等，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。集成化設(shè)計(jì)：將微電極與其他傳感器、信號(hào)處理電路集成在一個(gè)小型化設(shè)備中，提升系統(tǒng)的整體性能和便攜性。