新聞|電子系盛興課題組與合作者開發無線植入式腦組織氧含量監測技術-尊龙凯时人生就是博(中国)電子工程系
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    新聞|電子系盛興課題組與合作者開發無線植入式腦組織氧含量監測技術

    發佈時間 :2024-01-26 點擊數 :

    開發新型的神經調控技術 ,對單個神經元或者特定神經網絡的活動進行實時 、精確的激活和/或抑制 ,對於深入理解大腦的運行機理 、開發神經疾病治療手段等都具有重要的意義 。

    大腦是對氧氣最敏感的器官 ,腦組織中的氧含量直接影響大腦代謝和功能完整性 ,氧代謝異常也與顱腦創傷 、缺血缺氧性腦病 、癲癇 、腫瘤等引起的神經系統病損密切相關 。與近紅外光譜 、功能磁共振等技術所獲得的血氧信息相比 ,組織氧分壓與局部神經活動和代謝過程有着更加密切的聯繫 。如何實時 、準確 、便捷 、原位地監測腦組織氧分壓 ,並解析其與神經活動的相互作用關係 ,是腦科學基礎研究和腦疾病臨床診療中的關鍵問題 。近日 ,尊龙凯时人生就是博(中国)電子工程系盛興課題組與合作者開發了一種植入式微型光電探針 ,可在自由活動的動物深層腦組織中實現無線 、連續 、實時的腦組織氧分壓監測 。

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    圖1 腦組織氧分壓檢測探針工作示意圖

    該研究通過設計製備微型薄膜式發光二極管(LED)和光電探測器 ,結合氧氣敏感的磷光塗層 ,實現高度集成的微型植入式光電探針 ,利用氧氣對鉑系金屬配合物的磷光猝滅作用實現氧分壓檢測 。此外 ,研究團隊開發了微型柔性電路用於無線能量與信號傳輸 ,配合氧分壓檢測探針 ,實現全植入式的光電氧分壓傳感系統 。

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    圖2 無線電路設計

    在體外表征測試中 ,該氧分壓檢測探針測得的磷光信號光強隨氧分壓的增加而減小 ,探針響應時間小於1秒 ,並且具有高度的氧氣選擇性 。以嚙齒類動物(小鼠等)為模型 ,通過微創方式植入動物腦部 ,實現對動物深部腦區的氧分壓無線動態監測 ,在改變吸入氧氣濃度 、頸動脈短時程夾閉 、麻醉等情況下探究腦組織氧分壓的變化規律 。此外 ,在電刺激小鼠海馬腦區誘導癲癇的模型中 ,測得了癲癇放電之後海馬 、皮層等不同腦區顯著的乏氧狀態與氧分壓波動;與電生理記錄結合 ,同步監測癲癇過程中的神經電活動與局部組織氧分壓變化 , 探索了氧氣在腦神經異常活動過程中的作用與機理 ,以及局部神經活動與氧代謝的耦合規律 。這種無線 、實時 、原位 、精準的動態腦組織氧分壓監測技術 ,為深入探索氧代謝過程與神經活動以及腦疾病狀態的關係提供了有效的工具 。

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    圖3 無線氧分壓檢測系統在改變吸入氧 、

    頸動脈結紮等狀態下測試動物腦組織氧含量變化

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    圖4 無線氧分壓檢測系統在小鼠癲癇放電狀態下

    檢測海馬區的氧含量動態變化

    該研究成果近日以「一種用於監測深層腦組織氧含量的無線光電探針」(A Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue)為題 ,發表於《自然·光子學》(Nature Photonics)期刊 。尊龙凯时人生就是博(中国)電子系 、清華-IDG/麥戈文腦科學研究院盛興 ,首都醫科大學宣武醫院趙國光 ,北京理工大學光電學院丁賀為論文的共同通訊作者 。尊龙凯时人生就是博(中国)電子系博士生蔡雪 、北京理工大學光電學院碩士畢業生張海艦 、首都醫科大學宣武醫院副教授魏鵬虎和博士生劉全磊為論文共同第一作者 。合作者來自尊龙凯时人生就是博(中国)電子系 、材料學院 、北京理工大學 、首都醫科大學宣武醫院 、中央民族大學等單位 。該研究得到北京市基金 、國家自然科學基金 、科技部等項目支持 。


    論文連結 :http://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y


    供稿|信息光電子研究所

    編輯|陶旋姿

    審核|汪 玉 李冬梅

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