基于锥形光纤-超柔电极的神经接口光电伪影分析
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The nervous system serves as the primary communication system in animals. Neurons, the fundamental structural and functional units of this system, communicate through a combination of electrical and chemical signals. Deciphering and comprehending diverse neural activities and circuit functions are of paramount importance in the realms of fundamental brain science, the diagnosis and treatment of neurological disorders, and brain-computer interface applications. Integrating optogenetics and electrophysiology into an optoelectric neural interface offers a synergistic approach to studying complex brain circuits and unraveling their intricate dynamics, enabling researchers to observe and modulate neuronal activity with precision. This capability opens new avenues for investigating fundamental questions about how different brain regions communicate and contribute to behavior. By combining optogenetics and electrophysiology to create advanced optoelectric neural interfaces, researchers can gain unprecedented insights into brain functions.
An optogenetic stimulation system was integrated with an electrophysiological recording system to measure photoelectric artifacts. A 473 nm fiber-coupled laser served as the light source for optogenetic stimulation, with a pulse generator employed to control the laser pulses. Electrophysiological signals were recorded using an Intan 1024-channel electrophysiological recording system. The optoelectrodes were fabricated using tapered optical fibers and ultra-flexible electrodes, which were then implanted into either the mouse brain or an agarose gel phantom to capture photoelectric artifacts in vivo or in vitro . The ultra-flexible neural electrode was fabricated using planar semiconductor technology, incorporating a polyimide insulation layer and a gold wire layer, as described in our previous publications. In addition, the electrode surface was modified with PEDOT∶PSS to enhance electrophysiological recording performance. The tapered optical fiber, supplied by Optogenix, featured a numerical aperture (NA) of 0.39, core size of 200 μm, and an active length of 2.5 mm. The optoelectrode probe was assembled by temporarily bonding the optical fiber to the ultra-flexible electrode using polyethylene glycol (PEG, m PEG =400000 u). The optical performance of the fabricated optoelectrode was characterized through theoretical calculations using LightSpread software, as well as experimental verification in vitro and in vivo . In the in vitro measurements, powdered milk, agarose, and sodium fluorescein were used to simulate tissue scattering and assess the light-field distribution of both tapered and flat port fibers in a scattering medium. For the in vivo demonstrations, optoelectrodes were implanted into the mouse CA1 brain region to perform concurrent optogenetic stimulation and electrical recording. Electrophysiological signals were filtered and analyzed using MATLAB software. The peak value of the photoelectric artifact was defined as the maximum absolute voltage observed during the optical pulse. The power spectral density (PSD) of the local field potentials during optical stimulation was obtained using a short-time Fourier transform, and the Mountainsort4 algorithm was employed for peak potential cluster analysis to isolate the waveform and timestamp of the action potentials.
We designed and fabricated a novel optoelectrode that combines a tapered fiber with an ultra-flexible electrode (Fig. 1). The tapered fibers exhibit an extended illumination range and a more uniform intensity distribution compared to flat-port fibers in a scattering medium (Fig. 2). In vitro experiments reveal variations in photoelectric artifacts across different channels, optical powers, and media types, with the peak values of photoelectric artifacts increasing alongside higher concentrations of milk powder and laser power. Power spectral density analysis indicates that photoelectric artifacts predominantly occur within the frequency range below 10 Hz (Fig. 3). During in vivo experiments, we analyzed the impact of light stimulation on the frequency bands of local field potentials (LFP), ranging from 0 to 300 Hz, and action potentials (AP), ranging from 300 to 7500 Hz. Our findings indicate that photoelectric artifacts primarily affect the LFP signals. Additionally, we longitudinally assessed the impedance evolution of the optoelectrode post-implantation and observed a gradual increase in average impedance during the first week, followed by stabilization over the subsequent three weeks. The peak value of photoelectric artifacts initially increases during the first two weeks, followed by a gradual decline over the next two weeks. Power spectral density analysis reveals that light stimulation predominantly influenced electrophysiological signals below 10 Hz, consistent with the in vitro testing results (Fig. 4). Finally, we validated the capabilities of optogenetic stimulation and synchronous electrophysiological recordings using the optoelectrode.
In this study, we present the design and fabrication of a novel optoelectrode that combines a tapered fiber with an ultra-flexible neural electrode. A comparative analysis of the optical power density and optical field distributions in a scattering medium was conducted between the tapered flat-port fibers, revealing the superior optogenetic stimulation performance of the tapered fiber. Moreover, we investigated the impact of photoelectric artifacts from the optoelectrode on electrophysiological recordings. The in vitro test results reveal variations in photoelectric artifacts across different electrode channels, environmental conditions, and laser powers. In vivo experiments demonstrate that optical stimulation primarily influences the LFP band, whereas the electrochemical impedance of the optoelectrode gradually increases and eventually stabilizes over time. The peak value of photoelectric artifacts varies depending on the duration of implantation. Photoelectric artifacts primarily induce interference within the frequency range below 10 Hz. To mitigate these artifacts, future studies could explore the utilization of coating materials such as PBK, PGO, and Pt-Black/PEDOT-GO. In addition, incorporating principal component analysis or machine learning techniques during data processing, employing a longer-wavelength excitation light source, or adjusting the electrode distance from the light source are all avenues worth investigating.
1 引 言
光电神经接口是一种结合光遗传技术与电生理技术的先进工具,在神经科学研究领域发挥着重要作用。光电极可以将光导入脑组织调控神经元,并记录所调控神经元的电生理信号。这类器件不仅可以实现对神经元的精准操控和监测,还被广泛应用于大脑神经环路的相关研究中 [ 1 - 5 ]。在光遗传技术中,光敏离子通道蛋白表达于神经元细胞膜上,通过特定波长的光来控制离子通道的打开与关闭,从而调控神经元的活动。在神经元活动记录方面,电生理技术发挥着重要作用,金属丝电极、膜片钳、硅电极以及柔性电极是常用的电生理工具。在光遗传调控的脑区植入电极,可在调控神经元的同时检测神经元的电位变化,通过分析这些数据可以获得该区域神经元及神经环路的运行机制,有助于解析神经回路,并为认知神经科学、构建神经疾病模型、药物筛选等提供了解决思路。
光遗传学需要将光导入脑组织从而调控神经元 [ 6 - 8 ] ,其中的一种方法是将微型LED(μ-LED)植入脑组织,但其发热和电伪影较为严重,另一种更为常用的方法是使用植入式光纤或波导将激光导入目标脑区 [ 9 - 10 ] 。相较于平口光纤,锥形光纤具有多项优势:1)锥形光纤具有较小的植入损伤。其尖端细长,植入生物组织更为轻松,可以减轻对周围组织造成的创伤和损害,并且具有更好的生物相容性。2)得益于其几何结构,锥形光纤可以拓展光遗传刺激的空间范围,可以同时作用于更多目标细胞或神经元。3)锥形光纤在输出端可以提供更加均匀、稳定的照明,其类似贝塞尔光束的出射模式可以有效减轻光在生物组织中的散射 [ 11 - 17 ] 。在光学操控领域,锥形光纤展现了对细胞的多维度操控能力,不仅不会产生接触式损伤,还可以引导神经元的生长,与光声转换器集成后还可以对神经元进行高精度的光声刺激 [ 18 ] 。另外,通过锥形光纤探针推动微纳颗粒撞击神经元细胞膜可以激活膜上的机械敏感离子通道,从而产生精确的刺激 [ 19 ] 。
超柔神经电极是一种近年来备受关注的新型电生理工具,具备长期稳定记录神经元电信号的能力。相较于传统的刚性电极,超柔电极的尺寸更小(厚度约为1 μm),弯曲刚度也更低(约为10 -14 N·m 2 ),植入神经组织后可以展现出更好的生物相容性和信号稳定性。此外,基于超柔神经电极构建的神经接口还表现出了良好的耐久性,能长时间准确记录神经信号,在疾病的诊断、治疗等方面具有巨大的应用潜力 [ 20 - 25 ] 。通过记录和分析神经元之间复杂而精密的信息传递过程,可以揭示大脑各区域之间的协调合作机制以及认知、感觉等高级功能的产生机制,从而使得超柔神经电极在基础科学研究、医学诊断与治疗等领域展现出了广阔的应用前景 [ 26 - 27 ] 。
为了记录神经元活动信号的变化,通常需要使用暴露在激光下的光电极。然而,激光与电极材料或周围环境相互作用会产生额外的噪声,这些噪声会被记录仪器错误地视为真实神经元活动产生的信号,从而形成了所谓的“光电伪影” [ 28 ] 。光电伪影主要包括光电导效应、光电化学(PEC)效应、光伏(PV)效应、光热效应和荧光效应 [ 29 - 31 ] 。电极/电解质界面对于电生理信号的记录非常重要,当电极和电解质中的电荷通过界面互相转移时,就会形成电信号。界面处的电荷行为模型可以用双电层(EDL)电容和法拉第过程描述,较低的阻抗和较高的EDL电容可以降低光电伪影的影响。光电化学效应由贝克勒尔发现。当光照射到电解池中的电极上时,可以检测到光电流。其基本原理是:光子被金属电极表面的电子吸收后,电子动能升高,从而与溶剂或溶质发生相互作用。一般认为,对于聚合物衬底的柔性电极,其光电伪影主要来自光电化学效应,使用透明电极材料或用导电聚合物进行表面修饰可以减弱该类型的光电伪影 [ 32 - 34 ] 。本研究采用锥形光纤和超柔性神经电极构建了一种新型的光电神经接口,并搭建了光遗传刺激和同步电生理记录系统。使用上述系统测试了光电极在不同体外环境和体内环境以及不同埋置时间下的光电伪影,并验证了该类型光电极的光遗传调控能力,为其在基础神经科学研究及脑机接口等领域的应用提供了参考。
2 实验原理及方法
本实验中用于检测光电伪影的系统包含光遗传刺激与电生理记录两套设备,如
本研究中使用的光电极由锥形光纤和32通道超柔神经电极组成。锥形光纤(Lambda fiber, Optogenix)的纤芯直径为200 μm,数值孔径为0.39,有效长度为2.5 mm。超柔电极采用平面半导体工艺制备,具体可参考文献[ 21 ]。本研究所使用的超柔神经微电极阵列在构架上主要由柔性衬底层和柔性绝缘层以及设置于柔性衬底层与柔性绝缘层之间的金属触焊点、连接线、顶电极层组成。顶电极的形状是直径为25 μm的圆形,呈32个位点线性排布,相邻顶电极的中心间距为30 μm。
超柔电极的关键制作步骤如下:1)使用光刻和电子束蒸镀工艺在衬底晶圆上涂覆一层厚度为80 nm的镍牺牲层;2)旋涂厚度为750 nm的聚酰亚胺薄膜,形成底层绝缘层;3)结合光刻和电子束蒸发工艺制备高通量、高密度的金属导线层和后端触焊点结构;4)旋涂750 nm厚的聚酰亚胺层薄膜,形成顶层绝缘层;5)结合光刻和等离子体刻蚀图案化整个绝缘层;6)通过光刻和电子束蒸发镀膜工艺制备金顶层电极。使用聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)对电极表面进行修饰,该聚合物材料在可见光波段内具有较高的透明度,并且具有可调的导电性、高柔韧性和可拉伸性,是制造各种传感电子设备过程中广泛使用的材料,常被用于修饰柔性电极的表面
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。电镀完成后,其在1 kHz下的阻抗可以降低到约30 kΩ,能够提高电生理记录的性能。锥形光纤的陶瓷插芯和3D打印的聚乳酸(PLA)固定槽通过环氧树脂固定到柔性电极电路板上,在去离子水中利用表面张力将电极和光纤贴合,然后使用聚乙二醇(PEG,其分子质量
m
PEG
=400000 u)粘合锥形光纤和电极的前端。PEG是一种高生物相容性的黏合剂,当光电极植入生物组织后,PEG会在10 min内溶解,从而使光纤和电极分离,如
锥形光纤的输出光功率密度分布通过Optogenix公司提供的LightSpread软件估算,该软件采用蒙特卡罗方法模拟浑浊介质中的光子传输。脑组织具有较强的光散射特性,本研究用添加奶粉的琼脂糖凝胶(奶粉的质量浓度为160 mg/mL,琼脂糖的质量分数为0.6%,荧光素钠的质量浓度为50 μg/mL)评估锥形光纤和平口光纤在散射介质中的光场分布 [ 36 - 38 ] 。光纤植入凝胶中(该凝胶配制于2 mm光程的比色皿中),使用彩色相机测量散射光场。使用功率计测量光纤跳线的出射光功率,光纤跳线耦合到锥形光纤的损耗为2.22 dB,将5.00 mW光耦合到锥形光纤中,测得锥形光纤出射端口的光功率分别为3.02 mW(粘合电极前)和1.94 mW(粘合电极后)。
用6~8周龄的C57BL/6J雄性小鼠进行光电极植入手术,所有小鼠都被安置在一个12 h明暗循环、温度为22~24 ℃、相对湿度为40%~60%的环境中。小鼠在光电极植入手术完成后单独饲养。在手术前,先使用异氟烷(2.5%体积分数的异氟烷用于诱导,1%体积分数的异氟烷用于维持)麻醉小鼠,然后将其固定在立体定位仪上。完成开颅后,将光电极迅速植入目标脑区(anterior-posterior:-2 mm;medial-lateral:1.74 mm;dorsal-ventral:-1.5 mm),并在对侧大脑植入一根不锈钢线作为参考电极,最后用牙科水泥将光电极固定到小鼠颅骨上。对于光遗传调控实验中的小鼠,在光电极植入前,在其目标脑区注射300 nL的腺相关病毒(AAV2/9-CAG-hChR2-H134R-tdTomato,滴度为1.36×10 13 vg/mL)。本研究中的所有动物实验均符合复旦大学上海医学院实验动物中心的操作规范。
将电生理采集系统采集的原始电生理信号导入MATLAB中进行滤波和分析(采样频率为30 kHz)。首先去除信号中50 Hz和150 Hz的电磁干扰,再使用二阶巴特沃夫滤波器进行高通(300~7500 Hz)和低通(0~300 Hz)滤波,滤波后的信号分别对应动作电位(AP)和局部场电位(LFP)。光电伪影峰值定义为光脉冲期间的电生理信号(电压值)的最大绝对值,使用短时傅里叶变换(STFT)对光脉冲期间的电生理数据进行处理,选择长度为6000帧的“Hann”窗口,得到其功率谱密度。使用Mountainsort4软件包进行峰电位聚类分析,得到峰电位的时间序列,用于分析神经元放电和光脉冲刺激的时间相关性。
3 实验结果
3.1 神经光电极的光学性能表征
为了实现光遗传学刺激功能,需要用特定波长的光照射神经元。对于表达视通道紫红质(ChR2)的神经元,通常使用473 nm的激光进行光遗传调控。脑组织对可见光波段具有较强的散射作用,光强沿着传播方向剧烈衰减,如
此外,本文还对比了光遗传实验中常用的平口光纤和锥形光纤在散射介质中的光场分布特性,如
3.2 光电神经接口的离体光电伪影表征
本研究中的电极使用聚酰亚胺作为衬底,金作为导电层,这类电极的光电伪影主要来自PEC效应。为了测试光电极在不同环境下的光电伪影,本研究使用磷酸盐缓冲液(PBS)、琼脂糖(质量分数为0.5%)及奶粉配置了4种奶粉含量不同的凝胶。光电极被植入到不同的凝胶中,并施加不同功率的473 nm激光,记录其电生理数据的变化,如
LFP和AP分别反映了群体神经元的活动和单个神经元的动作电位。通过对原始信号进行滤波处理,得到了LFP和AP信号。
3.3 光电神经接口的活体光电伪影表征
动物大脑组织中包含着各类脂类、蛋白质和无机盐,简单的体外环境无法模拟脑组织。为了研究该光电极在脑组织中的光电伪影,将光电极埋置到小鼠的CA1脑区(未注射病毒),用头部固定方法记录了不同埋置时间及光功率下的电生理数据,如
光电极的体内测试结果表明,随着激光功率增大,光电伪影对神经信号的干扰逐渐增加。这是由于随着照射到金电极表面的光功率增大,光电流增加,从而影响了信号。对锥形光纤光遗传刺激的相关研究表明,锥形光纤相较于平口光纤可以在更低的光功率下进行光遗传调控,从而降低了光电伪影的干扰。但是,在需要调控大量神经元的情况下,往往需要提高光功率,从而对信号记录造成更大影响。有研究表明:Pt-Black/PEDOT-GO[氧化石墨烯掺杂聚(3,4-乙烯二氧噻吩)]镀膜可以降低光电伪影,同时使用铂、铱作为电极材料也可以减弱部分光电伪影,石墨烯电极几乎不存在光电伪影 [ 33 , 39 - 40 ] 。因此,为了降低光电伪影对电生理记录的干扰,未来可以在电极材料选择和表面修饰工艺两方面对电极进行改进。
3.4 同步光遗传刺激与电生理记录实验验证
光电极的一个重要功能就是对某类神经元光遗传调控时进行同步电生理记录,如
4 总结与讨论
本研究设计了一种基于锥形光纤和超柔电极的新型光电极,该光电极具有植入截面小、光遗传调控范围大的优势。利用搭建的光遗传与电生理系统研究了该光电极在离体环境下的光电伪影,结果表明:光电伪影峰值随着凝胶中奶粉含量和激光功率的增加而增大,同时,在电极的不同通道上,伪影峰值也存在差别。对于该光电极,光电伪影主要对局部场电位造成影响,对处于高频段峰电位的影响较小,其在20 mW功率下仅为29.9 μV。分析不同功率和介质中的功率谱密度发现脉冲宽度为100 ms、频率为1 Hz的光脉冲对0~10 Hz频段有较大影响,在光照结束后伪影逐渐减弱。光电伪影随着光功率及凝胶中奶粉含量的增加而增强。凝胶中的钙、铁离子随着奶粉含量的增加而增大,这可能会增强电极界面处的法拉第过程并改变EDL电容,从而导致光电伪影增强。
脑组织相比于凝胶具有更复杂的成分,同时大量神经元放电产生的电信号会被光电极记录,鉴于此,将光电极埋置于小鼠CA1脑区,用于研究活体环境下的光电伪影。该光电极的阻抗在埋置后的1~8天逐渐升高并在之后三周趋于稳定,这可能是由于光电极埋置后产生的免疫炎症反应导致组织-电极界面处的环境发生了变化。与离体测试相似的是,光电伪影峰值随着光功率的增大而提升。同时可以观察到0.2 mW光照引起的体内光电伪影峰值偏大,这是由脑组织中大量神经元活动的波动导致的。通过跟踪光电极埋置不同天数后的光电伪影,发现光电伪影在前两周波动升高并在之后逐渐下降,这可能是由于光电极埋置后前两周的免疫炎症反应使得电极附近的微环境发生了变化。分析活体环境下不同通道的功率谱密度发现不同通道的光电伪影存在差异,这与电极接收到的光强有关。分析不同功率下的功率谱密度发现,当光功率大于5 mW时,光电伪影会严重干扰局部场电位信号。光遗传调控小鼠实验结果证明该光电极具备光遗传调控和同步电生理记录能力。
减弱或消除光电伪影是光电极领域研究的一个重点。在材料方面,石墨烯电极能够更有效地传导和接收神经元产生的微弱信号,并大幅降低光电伪影对信号记录的影响。此外,通过对电极表面进行镀膜(如PBK、PGO、Pt-Black/PEDOT-GO等)修饰,也可以降低由PEC引起的光电伪影 [ 33 , 39 - 40 ]。在光学方法方面,通过使用更长波长的激发光以及使光源远离电极也可以达到减弱光电伪影的效果。应用统计学方法,例如主成分分析(PCA),可以从光照期间的光电伪影信号中提取主要的特征成分 [ 41 ] ,并将其作为伪影模板应用于光电伪影模板减法算法。此外,近年来人们已经发展了其他机器学习算法,用于对电生理信号中的噪声(包括电化学噪声、共模干扰、运动伪影以及热噪声 [ 42 - 44 ] )进行更深层次的处理,比如深度学习算法,该算法专注于神经元电生理信号中伪影的检测与识别 [ 45 - 46 ] 。本研究提出的光电极具有较低的植入损伤以及更大的照明范围,可以在较低的光功率下实现光遗传学调控,而使用平口光纤的传统光电极由于光强在其传播方向上衰减严重,通常需要用更大的功率(5 mW以上)来激发神经元,而这可能会导致更严重的光电伪影。同时,该光电极也存在改进空间,在需要更大范围激活神经元的应用中,光电伪影问题也会随之扩大。未来可以从电极材料选择、表面修饰工艺、后期数据处理(主成分分析、深度学习算法)等方面入手,进一步降低光电伪影对电生理记录的影响。通过有效处理和抑制光电伪影问题,人们能够更加精确地记录并分析神经元活动,从而深入探索大脑内部复杂而精细的工作机制。
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师亚洲, 徐明亮, 马浩然, 彭建亚, 倪剑光, 何飞. 基于锥形光纤-超柔电极的神经接口光电伪影分析[J]. 中国激光, 2025, 52(3): 0307301. Yazhou Shi, Mingliang Xu, Haoran Ma, Jianya Peng, Jianguang Ni, Fei He. Exploration of Photoelectric Artifacts in Neural Interfaces Based on Tapered Optical Fibers and Ultra-Flexible Electrodes[J]. Chinese Journal of Lasers, 2025, 52(3): 0307301.