國家納米科學(xué)中心 方英課題組在大腦神經(jīng)調(diào)控與讀取技術(shù)取得新進(jìn)展

近日，國家納米科學(xué)中心方英研究員及其團隊在高精度神經(jīng)調(diào)控與讀取技術(shù)取得新進(jìn)展,相關(guān)論文“Self-assembled multifunctional neural probes for precise integration of optogenetics and electrophysiology”(《自組裝多功能神經(jīng)電極用于高精度光遺傳調(diào)控與神經(jīng)記錄》)發(fā)表在Nature Communications, 2021, 12, 5871。

腦科學(xué)的核心目標(biāo)是解析神經(jīng)電活動如何控制大腦的功能以及腦疾病的神經(jīng)機制。要實現(xiàn)這些目標(biāo)，需要精準(zhǔn)調(diào)控與讀取特定神經(jīng)環(huán)路的電活動信息。其中光遺傳與多通道電生理記錄聯(lián)用技術(shù)，可以實現(xiàn)對神經(jīng)元電活動的高時間分辨率調(diào)控與讀取，在神經(jīng)功能環(huán)路解析和腦疾病機制研究中均具有重要意義。然而在傳統(tǒng)方法中，由于光刺激范圍與電極記錄范圍在空間上存在一到兩個數(shù)量級的差別，導(dǎo)致神經(jīng)元電活動功能歸屬模糊，給神經(jīng)環(huán)路的高精度解析帶來了困難和挑戰(zhàn)。

國家納米科學(xué)中心方英課題組長期致力于發(fā)展大腦神經(jīng)信息分析新技術(shù)及其在腦功能解析和腦機接口領(lǐng)域中的應(yīng)用。前期，課題組利用微納加工技術(shù)和生物相容性納米材料，發(fā)展了一系列新型柔性神經(jīng)電極技術(shù)，包括可注射式柔性神經(jīng)電極(Nature Nanotechnology, 2015, 10, 629)、基于石墨烯和碳納米管的柔性全碳神經(jīng)電極(Nano Letters, 2017, 17, 71)、以及高密度柔性神經(jīng)流蘇電極(Science Advances, 2019, 5, eaav2842)等，為長期穩(wěn)定讀取大腦神經(jīng)電活動提供了重要的工具。

圖1：(a)多功能柔性神經(jīng)電極的自組裝示意圖;(b)大腦中基因載體的精準(zhǔn)遞送

在前期研究的基礎(chǔ)上，方英課題組近期構(gòu)建了一種多功能柔性神經(jīng)電極技術(shù)，同步實現(xiàn)了大腦中基因載體的精準(zhǔn)遞送、長期光遺傳學(xué)調(diào)控和神經(jīng)電生理記錄。利用化學(xué)家非常熟悉的彈性毛細(xì)自組裝原理，研究人員將高通量柔性神經(jīng)電極和光導(dǎo)元件在含有光遺傳基因載體的聚合物液體中進(jìn)行自組裝，得到了體積只有納升級別的多功能柔性神經(jīng)電極。研究發(fā)現(xiàn)，多功能柔性神經(jīng)電極能夠?qū)崿F(xiàn)基因載體在電極-神經(jīng)界面的高效遞送和表達(dá)?；诖?，研究人員利用多功能柔性神經(jīng)電極將光遺傳蛋白精準(zhǔn)表達(dá)在電極-神經(jīng)界面100微米范圍內(nèi)，從而確保了光遺傳調(diào)控神經(jīng)元集群和電生理記錄神經(jīng)元集群的高度空間一致性。進(jìn)一步利用柔性神經(jīng)電極良好的生物相容性，實現(xiàn)了對大腦神經(jīng)元電活動長達(dá)三個月以上的穩(wěn)定讀取與調(diào)控。

圖2：(a)柔性神經(jīng)電極;(b)多功能柔性神經(jīng)電極;(c)電極-神經(jīng)界面的精準(zhǔn)基因遞送和表達(dá);

(d)大腦中同步神經(jīng)讀取與調(diào)控;(e)精準(zhǔn)神經(jīng)讀取與調(diào)控示意圖

多功能柔性神經(jīng)電極技術(shù)能夠同步實現(xiàn)大腦中基因載體的精準(zhǔn)遞送、光遺傳調(diào)控和長期神經(jīng)電生理記錄，因此在神經(jīng)環(huán)路的精準(zhǔn)解析和腦機接口等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。該論文第一作者是國家納米科學(xué)中心的博士研究生鄒亮和助理研究員田慧慧，通訊作者是方英研究員。該項研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)“腦認(rèn)知與類腦前沿研究”、國家自然科學(xué)基金重大項目“帕金森綜合癥的神經(jīng)分析化學(xué)基礎(chǔ)研究”和國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作交流項目“超薄柔性神經(jīng)電極用于古老腦的編碼機制研究”的支持。

動感國家納米科學(xué)中心：全自動微流控核酸檢測芯片及儀器等技術(shù)研發(fā)上取得了重要進(jìn)展

國家納米科學(xué)中心(以下簡稱“國家納米中心”)是由中國科學(xué)院和教育部共同建設(shè)，2003年12月獲中央機構(gòu)編制委員會辦公室批復(fù)成立的中國科學(xué)院直屬事業(yè)單位。

國家納米中心定位于納米科學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，目標(biāo)是建成具有國際先進(jìn)水平的研究基地、面向國內(nèi)外開放的納米科學(xué)研究公共技術(shù)平臺、中國納米科技領(lǐng)域國際交流的窗口和人才培養(yǎng)基地。在努力為中國納米科技發(fā)展提供支撐的同時，國家納米中心還致力于促進(jìn)國家納米科技產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化發(fā)展，以期為中國納米科技的健康、有序發(fā)展做出貢獻(xiàn)。廣泛開展國內(nèi)外科技合作與交流，積極融入全球創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

國家納米中心現(xiàn)有3個中國科學(xué)院重點實驗室，分別是中國科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點實驗室、中國科學(xué)院納米標(biāo)準(zhǔn)與檢測重點實驗室和中國科學(xué)院納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室。并于2020年批準(zhǔn)籌建中國科學(xué)院納米光子材料與器件重點實驗室(籌)。納米生物效應(yīng)與安全性重點實驗室設(shè)有納米生物效應(yīng)與安全性研究室，納米標(biāo)準(zhǔn)與檢測重點實驗室設(shè)有納米表征、納米標(biāo)準(zhǔn)2個研究室，納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室設(shè)有納米器件、納米材料、納米制造與應(yīng)用基礎(chǔ)等6個研究室。國家納米科學(xué)中心于2018年12月成立了理論室、納米加工實驗室。此外，國家納米中心與北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所等單位共建協(xié)作實驗室19個。

國家納米中心設(shè)有黨委辦公室、辦公室、科技處、人事處、教育處、財務(wù)處、科技發(fā)展與促進(jìn)處、行政處、資產(chǎn)管理處等9個職能管理部門。

國家納米中心設(shè)立納米技術(shù)發(fā)展部，致力于公共開放平臺建設(shè)，為納米科技研究提供支撐，主要從事納米檢測技術(shù)服務(wù)，開展相關(guān)培訓(xùn)和研發(fā)工作。

國家納米中心是2005年國務(wù)院學(xué)位委員會批準(zhǔn)的博士、碩士學(xué)位授予權(quán)單位之一，現(xiàn)設(shè)有化學(xué)、材料、物理等3個專業(yè)一級學(xué)科博士研究生培養(yǎng)點，化學(xué)、材料、物理、生物等4個專業(yè)一級(或二級)學(xué)科碩士研究生培養(yǎng)點，并設(shè)有博士后流動站。

國家納米中心科研工作整體競爭力不斷提升。在Nature自然指數(shù)最新排名中，國家納米中心位居全院第四位。2016年，按照中國科學(xué)院的統(tǒng)一要求，國家納米中心順利通過了納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心籌建的驗收，標(biāo)志著卓越中心建設(shè)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

截至2020年底，國家納米中心共有在職職工273人，其中科技人員199人、科技支撐人員43人。現(xiàn)有中國科學(xué)院院士2人、發(fā)展中國家科學(xué)院院士1人、研究員及正高級工程技術(shù)人員76人、副研究員及高級工程技術(shù)人員105人。共有在學(xué)研究生456人(其中碩士生201人、博士生255人)、在站博士后75人，聯(lián)合培養(yǎng)研究生330人。

十多年來，國家納米中心立足面向世界科技前沿、面向國家重大需求、面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向人民生命健康，科研工作取得了一系列重要進(jìn)展，機構(gòu)的科技競爭力顯著提高。基礎(chǔ)研究方面，國家納米中心面向交叉學(xué)科前沿，開展前瞻性基礎(chǔ)研究，在納米生物安全效應(yīng)研究、納米材料自組裝研究、碳基新原理器件研究、功能導(dǎo)向納米材料研究等科學(xué)領(lǐng)域取得了一批重要的創(chuàng)新成果。應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，國家納米中心面向國家和社會需求，開展產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)探索研究，在納米復(fù)合涂層材料應(yīng)用于電力設(shè)備防污閃、艾滋病預(yù)防藥物研制、生化檢測試紙的低成本打印技術(shù)和全自動微流控核酸檢測芯片及儀器等技術(shù)研發(fā)上取得了重要進(jìn)展。技術(shù)支撐體系方面，國家納米中心以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與戰(zhàn)略研究工作為主，初步搭建了我國納米測量用標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)方法研制的系列化和多樣化，使我國成為世界上納米標(biāo)準(zhǔn)最豐富的國家之一。

國家納米中心是全國納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC279)、中國合格評定國家認(rèn)可委員會(CNAS)科研實驗室專業(yè)委員會、中國微米納米技術(shù)學(xué)會納米科學(xué)技術(shù)分會的掛靠單位。國家納米中心與英國皇家化學(xué)會聯(lián)合主辦的英文期刊Nanoscale、Nanoscale Advances受到國內(nèi)外學(xué)界的廣泛關(guān)注。