清华大学电子系盛兴课题组合作发现薄膜硅光电二极管可选择性激活或抑制神经活动
2024/04/23
824开发新型神经调控技术，对单个神经元或者特定神经网络的活动进行实时、精确地激活和/或抑制，对于深入理解大脑的运行机理、开发神经疾病治疗手段等都具有重要的意义。相较于药物等生物化学方法，基于光电信号等物理场的神经调控方式具有无线操控、时空分辨率高、响应快、副作用小等优点，也是近年来脑机接口领域的研究热点。
近日，清华大学电子工程系盛兴课题组与合作者研究发现，使用柔性薄膜单晶硅二极管与神经系统集成，在光照情况下可产生极化电场，对离体和在体的神经信号进行选择性的无线激活和抑制。同时，薄膜硅结构可在生物体内安全降解，具备良好的生物相容性。这种生物友好、非遗传学、可无线远程操作、实现激活-抑制双向光电调控的植入式器件，可为基础神经科学研究和临床应用提供有效的技术支撑。
硅基半导体是信息产业的基石，pn二极管结构作为电子工程的基本单元，被广泛应用于微电子芯片、光电探测与成像、光伏电池等系统中。在生物系统中，当硅基二极管与神经系统的基本单元——神经元进行结合时，其光电特性将如何影响神经系统的活动与功能？研究团队发现，柔性薄膜硅基二极管结构与神经组织集成时，其在光照条件下，在半导体-溶液界面处产生极化的光生电场，不需引入光遗传学等基因编码工具，即可选择性的激活-抑制神经信号的活动。
图1.可降解硅薄膜二极管产生光电信号激活和抑制神经活动（示意图）
在离体实验中，通过在极性不同的薄膜硅二极管结构（p+n型和n+p型）表面培养背根神经元（dorsal root ganglion, DRG），硅器件的极化光生电场可相应地抬升或降低细胞的膜电位，引起神经元的去极化或超极化，进一步激活或者抑制动作电位的发放，并引起钙活动信号的上升或者下降。
图2.硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制离体神经元活动
通过微纳工艺制备的图案化硅基薄膜器件，可共形贴附在活体生物组织表面，进行在体生物神经信号的远程光电调控。把硅基二极管薄膜包覆于小鼠的坐骨神经节，通过极性依赖的光生电场，可选择性地增强或者减弱小鼠后肢的运动幅度。把硅基二极管薄膜贴附在小鼠大脑皮层上，产生的光生电场也可相应地激活或者抑制皮层的电活动。
图3. 硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制在体神经：（a）调控坐骨神经的激活和抑制活动和（b）调控大脑皮层内神经区域的激活和抑制活动
另外，硅基半导体还具备良好的生物安全性和可降解特性，把硅薄膜器件与可降解的衬底结合，将其包覆在动物坐骨神经或者贴附在大脑皮层上，通过长期实验记录，均可观察到硅薄膜在生物体内的自然溶解和消失过程。这种可降解特性，可避免引入二次手术取出植入物带来的风险，为特定的医疗应用展示了潜在的前景。
图4. 坐骨神经和大脑皮层上硅薄膜的生物降解性测试
该研究成果在《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）发表，题为“可降解薄膜硅基二极管光电激活和抑制神经活动”（Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities）。
本文的共同通讯作者为清华大学电子系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院盛兴副教授，中国科学院深圳先进技术研究院、深港脑科学创新研究院李骁健研究员，北京理工大学汪世溶副研究员。共同第一作者为清华大学原博士后黄云翔、北京生命科学研究所博士后崔玉婷、中国科学院深圳先进技术研究院技术员邓汉杰。合作者来自清华大学电子系、材料学院、生命科学学院、中国科学院深圳先进技术研究院、北京理工大学、北京脑科学与类脑研究中心等单位。该研究获得了国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、北京市基金、科技部等项目支持。
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