光电极及其在神经电刺激与记录中的应用基础研究

multi-channel electrophysiological recording microelectrodes play an important role in neurobiology,neural engineering,Cognition and medical science.However,neural stimulation and recording based on only electrical signal lack selectivity in space,which makes neuron coding and coordination difficult to understang.Regulating neurons by using optogenetics has the advantages of easy operation,non-contact,high spacial resolution, quantified repeatability and so on, which has been used in neural plasticity,neural information integration,neural network.neuropathology,ethology and other neural science research areas.Specialized designed device and instrument are needed to satisfy experiments requirements in many respects,such as optogenetical theory,animal model,experiment targets distribution feature,etc.In this project, we plan to design and fabricate optic-electric interface,namely optrode, to help experiment in vivo and vitro.Different material and structure of optrode will be discussed, designed and fabricated. Parameters in electricity,optics and biology will be improved,and electrical signal recorded from neuron activity will be transimitted and processed.

用于多通道电生理记录的电极目前在神经生物学、神经工程、认知学科和医学方面正在发挥重要的作用，但是单纯依靠电信号进行刺激和记录的手段对神经元来说，在相应的刺激和记录空间范围内，不具有选择性，这让准确了解神经元编码和协作行为变得困难。利用光遗传学调控神经元的方法具有操作简单、非接触、高时空分辨、可定量重复等优势，已被初步用于神经可塑性、神经信息整合、神经网络结构、神经病理学及动物行为学等神经科学的研究中。根据光遗传学的原理和实验动物的类型、实验靶点在组织中的分布特点以及实验的目的，需要有专门设计的仪器和工具来完成这些试验。本项目将设计和制造适合离体或在体的光-神经接口器件，即光电极,研究不同材料、结构的光电极的制备方案与光学，电学与生物学上的优化改进方案，为神经生物学和神经工程学提供研究神经回路、认知记忆、突触可塑性、精神类疾病的发病机理等基础科学问题提供更加准确、定量、可靠的电生理研究工

利用光遗传学调控神经元具有指向性、特异性、实时快速、非接触、操作简单、高时空分辨、可定量重复等优势；利用电极记录神经活动，是目前神经信息获取手段中速度最快、信息最为直接的手段。将光刺激和电记录相结合的研究方法已被大量用于神经可塑性、神经回路及网络结构、脑功能、神经病理学及动物行为学等神经科学的研究中。本项目研究的内容是用于光遗传研究的主要工具之一，光电极器件的设计、制备及其与神经的相互作用。根据光遗传学的原理和实验动物的类型、实验靶点在组织中的分布特点以及实验的目的，需要有专门设计的仪器和工具来完成这些试验。本项目将设计和制造适合离体或在体的光-神经接口器件，即光电极,研究不同材料、结构的光电极的制备方案与光学，电学与生物学上的优化改进方案，为神经生物学和神经工程学提供研究神经回路、认知记忆、突触可塑性、精神类疾病的发病机理等基础科学问题提供更加准确、定量、可靠的电生理研究工具。.研究发展了三种类型的光电极器件。分别是基于光纤的光电极器件、基于微光电二极管（μLED）的光电极器件和单片集成的光电极器件。基于光纤的光电极器件在原有的光纤为主、金属镀层电极为辅的基础器件上，开发了一种将光纤与硅针高密度多通道电极相结合的单光源+多通道记录电极；另外一种基于光纤电极的实现方式是将前端经过修饰的光纤与柔性电极结合，将柔性多通道电极包覆在光纤的出光面上。实现了最小体积开销的光纤基多记录点光电极器件。这类器件的特点是与现有的光电极器件技术有很好的衔接，方便在现有的实验平台上应用和测试。在此基础上，我们采用先进封装技术，研发了将微光电二极管集成在硅基微针上的混合集成封装光电极器件，这种器件改变了由光纤导入光所造成的实验动物活动的不便。利用光电极集成技术，我们研发了一种在蓝宝石上集成有LED和电极记录点的单片集成的光电极器件。这种器件是目前该领域中集成度最高、光电噪声特性最好的一种光电极器件。.随着中国脑科学研究的发展，可与神经信号进行交互的神经接口器件作为一种重要的研究工具，其性能的发展也在很大程度上影响着.脑科学的发展。通过本项目的支持和研究，我们与脑科学的研究团队形成了密切的合作关系，也更加明确了未来这类器件的研发方向。相信在将来的脑疾病诊疗和应用方面，这类器件还能发挥更重要的作用。