有望实现神经科学家近50年来的目标：新型纳米探针用于神经活动的光学监测

加州大学圣克鲁斯分校的研究人员开发了超灵敏纳米光学探针，用于监测神经元和其他可兴奋细胞的生物电活动（图1）。这种新的读出技术可以使科学家通过同时监测大量单个神经元，研究神经环路如何在前所未有的规模下发挥作用。它还可以带来高带宽的脑机接口，显著提高精度和功能。

图1 电等离子纳米天线扫描电镜照片。来源：Yanik实验室

传统上用微电极阵列来监测神经元的电活动，但这种方法难以大规模实现，而且空间分辨率有限。此外，加州大学圣克鲁斯分校电气与计算机工程助理教授Ali Yanik认为，读出所需的电子线路是微电极的一个主要局限。

Yanik说：“电子线路极其有限的带宽是电子本质造成的瓶颈。我们转向光子，因为光提供了数十亿倍增强的多路复用和信息承载能力，这也是电信业走向光纤的相同原因。通过将生物电信号转换成光子，我们将能够以光学方式传输大带宽的神经活动。”

加州大学巴斯金工程学院Yanik实验室与圣母大学的研究者合作，开发了细胞外纳米探针，能够对电生理信号进行超灵敏的光学监测。其他的光学监测技术需要基因改造才能将荧光分子插入细胞膜，这就排除了这些荧光分子在人类中的应用。

Yanik的方法类似于细胞外微电极技术，只是读出机制是光学的，探针具有纳米尺寸。此外，它比荧光探针产生更亮的信号和更高的信噪比（图2）。

图2 场灵敏度和信噪比。（A）微分散射信号与外加电场强度。电光测量是在500Hz的调制频率下进行的。比较了原始（红色曲线）和电等离子体（蓝色曲线）纳米天线微分散射信号的绝对值。电等离子体纳米天线的场灵敏度约为3.25×10³倍。对于低场值（2×10²到8×10²v/cm），我们观察到等离子体纳米天线散射信号强度变化（1～7%）。（B）单个电等离子体和等离子体纳米天线的检测限。高信噪比（~60至220）显示为即使是低场值（2×10²到8×10²v/cm）的电等离子体纳米天线。来源：Yanik实验室

“利用光的无与伦比的多路复用和信息携载能力来剖析神经回路和解密电生理信号一直是神经科学家近50年的目标。我们可能终于找到了一种方法来做到这一点”Yanik说。

这项新技术发表在10月18日出版的《Science Advances》杂志上。Yanik实验室的博士生Ahsan Habib是这篇论文的第一作者。

尽管这项技术仍处于开发的早期阶段，但Yanik表示，这项技术可以为广泛的应用打开大门。最终，这可能会导致强大的脑机接口，使开发新的脑控残疾人假肢技术成为可能。

Yanik的光学纳米探针是基于一种新型金属天线结构的纳米级器件（直径小于100纳米），这种天线结构与一种叫做PEDOT的生物相容性聚合物相耦合。这种聚合物是“电致变色”的，这意味着它的光学性质随着局部电场的变化而变化。这种天线是一种“等离子体纳米天线”，意味着它以类似于无线电天线的方式使用光和物质的纳米级相互作用。其结果是一种“电等离子体纳米天线”，它以极高的灵敏度提供了对局部电场动力学的可靠光学检测。

Yanik解释道：“电等离子体纳米天线的共振频率会随着电场的变化而变化，当我们将光照在天线上时，我们可以看到这一点，因此我们可以远程读取信号。”

研究人员进行了一系列的实验来表征和优化电等离子体纳米天线的性能。然后他们测试了它在心肌细胞（心肌细胞，像神经元一样，可以产生电脉冲）细胞培养中监测电生理信号的能力。结果显示它可以实时、全光检测心肌细胞的电活动，具有较高的信噪比（图3）。

图3 电活动的光学记录。（A）变速器暗场测量设置示意图。强烈的光散射对比观察到有（绿色）和无（黑色）电等离子体（EP）纳米天线的空间区域。（B）电等离子体纳米天线的时间响应用方波电压进行光谱电化学记录。电等离子体纳米天线的光学响应显示为电势（红色曲线）阶跃（蓝色曲线）介于-500 mV（相对于Ag/AgCl）和500 mV（相对于Ag/AgCl）之间，停留时间为5 ms。通过拟合散射光强度的衰减指数函数。（C）在等离子体上培养的人诱导多能干细胞衍生心肌细胞（紫色）的假彩色扫描电子显微照片纳米天线阵列。（D）对心肌细胞网络电活动的微分散射信号。强远场信号允许利用等离子体纳米天线（红色曲线）对心肌细胞的电活性进行无标记的实时光学检测。控制测量以验证电光信号的来源。在没有电等离子体纳米天线的情况下，没有检测到远场信号（蓝色曲线）。来源：Yanik实验室

除了不需要遗传操作外，与荧光探针相比，该技术的优点还包括所需的非常低的光强度，比荧光电压探针所用的典型光强度低两到三个数量级。此外，荧光分子容易漂白并产生破坏性的氧自由基。

Yanik描述了使用光学纳米探针监测包括人类在内的活体动物神经活动的两种可能方法。探针可以与光纤整合成柔性的和生物相容的植入物，或者它们可以被合成为悬浮在胶体溶液中的纳米颗粒，表面蛋白附着以使探针能够结合特定的细胞类型。

Yanik说：“使用基于溶液的系统，你可以将其注入血液或器官，纳米探针附着在你想要监测的特定细胞类型上。”我们正处于起步阶段，但我认为我们有一个良好的基础。

在活体动物中使用神经探针的一个重要考虑因素是对体内异物的固有免疫反应。先前的研究表明，用生物相容性PEDOT聚合物涂覆电极可显著改善微加工神经修复装置的长期性能。植入物的大小也会影响免疫反应。

“关键特征尺寸为10至15微米。最近的研究表明，较小尺寸的植入物会显著降低固有免疫反应。”Habib 说：“从这个意义上说，我们的纳米级PEDOT涂层探针特别有利于长期运行。”

参考文献：

Electro-plasmonic nanoantenna: A nonfluorescent optical probe for ultrasensitive label-free detection of electrophysiological signals, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aav9786

作者信息

 

编译作者：Aurora（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

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