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近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院王涌天、楊健教授團(tuán)隊(duì)成員丁賀副教授、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國(guó)光教授和清華大學(xué)盛興副教授共同合作，開(kāi)發(fā)了一種植入式微型光電探針系統(tǒng)，可在自由活動(dòng)的動(dòng)物深層腦組織中無(wú)線、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦組織氧分壓，并揭示了癲癇狀態(tài)下動(dòng)物腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)與局部氧代謝的耦合規(guī)律。研究成果以《Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue》為題發(fā)表在Nature Photonics期刊上。

大腦是對(duì)氧氣最敏感的器官，腦組織中的氧含量直接影響大腦的代謝功能和功能完整性，并與顱內(nèi)創(chuàng)傷、癲癇、腫瘤等腦疾病狀態(tài)密切相關(guān)。如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、便捷、原位地監(jiān)測(cè)腦組織氧分壓，并解析其與神經(jīng)活動(dòng)的相互作用關(guān)系，是腦科學(xué)基礎(chǔ)研究和腦疾病臨床診療中的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1 植入腦組織中用于氧分壓監(jiān)測(cè)的光學(xué)探針工作示意圖，通過(guò)轉(zhuǎn)移集成的方法在柔性聚酰亞胺基底上實(shí)現(xiàn)了薄膜micro LED、光探測(cè)器和氧敏磷光涂層的一體化集成。

本工作基于“激發(fā)–傳感–響應(yīng)–無(wú)線傳輸”的光學(xué)機(jī)制，通過(guò)設(shè)計(jì)制備微型薄膜式發(fā)光二極管（LED）、光電探測(cè)器和氧氣敏感的磷光涂層，實(shí)現(xiàn)高度集成的微型植入式光電探針，并利用氧氣對(duì)鉑系金屬配合物的磷光猝滅作用實(shí)現(xiàn)氧分壓檢測(cè)。此外，開(kāi)發(fā)了基于藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制和磁共振電能傳輸?shù)娜嵝曰娐吩O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在體內(nèi)環(huán)境中對(duì)植入式氧傳感光學(xué)探針的傳感驅(qū)動(dòng)，獲得了全植入式的光電氧分壓傳感系統(tǒng)。該新型全植入式傳感系統(tǒng)的研制，將突破無(wú)法記錄深腦組織氧變化的技術(shù)瓶頸，為研究生物機(jī)體在特定病理狀態(tài)下氧含量的全面評(píng)估提供支持。

圖2 無(wú)線植入式組織氧傳感的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：（a）電路框架圖；（b）實(shí)物圖；（c）不同氧含量狀態(tài)下探針磷光強(qiáng)度的對(duì)比。

通過(guò)微創(chuàng)手術(shù)將傳感探針植入動(dòng)物腦內(nèi)，無(wú)線控制系統(tǒng)則埋入皮下，使得傳感微系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)解決了束縛動(dòng)物活動(dòng)范圍的問(wèn)題。在改變吸入氧氣濃度、頸動(dòng)脈結(jié)扎、麻醉等不同情況下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物深部腦區(qū)氧分壓的無(wú)線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了腦組織氧分壓的變化規(guī)律。

圖3（a）采用線圈設(shè)計(jì)的磁共振無(wú)線供電方式，驅(qū)動(dòng)全植入小鼠腦內(nèi)的傳感電路系統(tǒng)，（b）記錄在不同氧含量環(huán)境中動(dòng)物腦組織氧分壓的變化過(guò)程。

在電刺激小鼠海馬腦區(qū)誘導(dǎo)癲癇的模型中，成果記錄了癲癇放電之后海馬、皮層等不同腦區(qū)顯著的乏氧狀態(tài)。通過(guò)與電生理記錄結(jié)合，同步監(jiān)測(cè)了癲癇過(guò)程中的神經(jīng)電活動(dòng)與局部組織氧分壓變化，探索了氧氣在腦神經(jīng)異常活動(dòng)過(guò)程中的作用與機(jī)理，以及局部神經(jīng)活動(dòng)與氧代謝的耦合規(guī)律。這種無(wú)線、實(shí)時(shí)、原位的動(dòng)態(tài)腦組織氧分壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，精準(zhǔn)、原位腦組織氧分壓的監(jiān)測(cè)方法，為深入探索氧代謝過(guò)程、神經(jīng)活動(dòng)及腦疾病狀態(tài)之間的關(guān)系提供了一種有效的工具。

圖4 無(wú)線氧分壓檢測(cè)系統(tǒng)在小鼠癲癇放電狀態(tài)下檢測(cè)海馬區(qū)的氧含量動(dòng)態(tài)變化。

本論文共同第一作者為清華大學(xué)電子系博士生蔡雪、北京理工大學(xué)光電學(xué)院碩士畢業(yè)生張海艦、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院魏鵬虎副教授和博士生劉全磊。合作者來(lái)自北京理工大學(xué)、清華大學(xué)電子系和材料學(xué)院、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、中央民族大學(xué)等單位。該研究獲得了北京市基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、北京市科技新星等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y