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

近日，國家納米科學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。

腦科學的核心目標是解析神經(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，需要精準調(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遞送、長期光遺傳學調(diào)控和神經(jīng)電生理記錄。利用化學家非常熟悉的彈性毛細自組裝原理，研究人員將高通量柔性神經(jīng)電極和光導元件在含有光遺傳基因載體的聚合物液體中進行自組裝，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。基于此，研究人員利用多功能柔性神經(jīng)電極將光遺傳蛋白精準表達在電極-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)界面的精準基因遞送和表達;

(d)大腦中同步神經(jīng)讀取與調(diào)控;(e)精準神經(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)路的精準解析和腦機接口等領(lǐng)域具有重要的應用前景。該論文第一作者是國家納米科學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)略性先導科技專項(B類)“腦認知與類腦前沿研究”、國家自然科學基金重大項目“帕金森綜合癥的神經(jīng)分析化學基礎(chǔ)研究”和國家自然科學基金國際(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)上取得了重要進展

國家納米科學中心(以下簡稱“國家納米中心”)是由中國科學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成立的中國科學院直屬事業(yè)單位。

國家納米中心定位于納米科學的基礎(chǔ)和應用基礎(chǔ)研究，目標是建成具有國際先進水平的研究基地、面向國內(nèi)外開放的納米科學研究公共技術(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國家納米科技產(chǎn)業(yè)的標準化和規(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。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個中國科學院重點實驗室，分別是中國科學院納米生物效應與安全性重點實驗室、中國科學院納米標準與檢測重點實驗室和中國科學院納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室。并于2020年批準籌建中國科學院納米光子材料與器件重點實驗室(籌)。納米生物效應與安全性重點實驗室設(shè)有納米生物效應與安全性研究室，納米標準與檢測重點實驗室設(shè)有納米表征、納米標準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、納米制造與應用基礎(chǔ)等6個研究室。國家納米科學中心于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、清華大學、中國科學院福建物質(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、財務處、科技發(fā)展與促進處、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，開展相關(guān)培訓和研發(fā)工作。

國家納米中心是2005年國務院學位委員會批準的博士、碩士學位授予權(quán)單位之一，現(xiàn)設(shè)有化學、材料、物理等3個專業(yè)一級學科博士研究生培養(yǎng)點，化學、材料、物理、生物等4個專業(yè)一級(或二級)學科碩士研究生培養(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，按照中國科學院的統(tǒng)一要求，國家納米中心順利通過了納米科學卓越創(chuàng)新中心籌建的驗收，標志著卓越中心建設(shè)進入了新的發(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?，F(xiàn)有中國科學院院士2人、發(fā)展中國家科學院院士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展，機構(gòu)的科技競爭力顯著提高?；A(chǔ)研究方面，國家納米中心面向交叉學科前沿，開展前瞻性基礎(chǔ)研究，在納米生物安全效應研究、納米材料自組裝研究、碳基新原理器件研究、功能導向納米材料研究等科學領(lǐng)域取得了一批重要的創(chuàng)新成果。應用基礎(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，在納米復合涂層材料應用于電力設(shè)備防污閃、艾滋病預防藥物研制、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)上取得了重要進展。技術(shù)支撐體系方面，國家納米中心以技術(shù)標準與戰(zhàn)略研究工作為主，初步搭建了我國納米測量用標準體系，形成了標準物質(zhì)和標準方法研制的系列化和多樣化，使我國成為世界上納米標準最豐富的國家之一。

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