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神經探針新篇章—仿生科技造詣的展現

神經探針(neural probe)是一種應用相當廣泛的生物材料,不但可用來記錄腦內單一或多重神經元之訊號,也可針對特定腦區給予電刺激以抑制或促進神經元活動。然而,研究指出目前市面上的神經探針,由於與腦神經細胞之間在結構和機械上的差異,長期而言會干擾組織正常的生理活動 [1],造成負面影響。 為了解決這方面的問題,哈佛大學 Charles M. Lieber 教授與研究團隊利用生物靈感(bioinspiration)與仿生學(biomimetics)的概念,研發一種在次細胞層級與神經細胞相似的探針單元組件(probe unit building block),並將之組合成一種開放式 3D 電子網路 — 擬神經元電子設備(neuron-like electronics, NeuE)[2]。 NeuE 探針(圖一)的金屬記錄電極和連接器分別與錐體神經的細胞體和軸突相似,其外層的聚合物絕緣體也與髓鞘雷同,目標是藉由提高探針與神經細胞之間的相似性來減低對腦部正常細胞組織的干擾。為了瞭解 NeuE 探針的植入對腦部的影響,研究團隊利用基因轉殖鼠作為實驗對象,執行一系列實驗。

圖一、NeuE神經探針(黃: 電極與連接器;紅:聚合物絕緣體)與腦神經細胞(綠)
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41563-019-0292-9

首先,研究團隊將NeuE探針通過大腦皮質植入海馬迴,利用次細胞層級解析度的全景3D 投影技術(full 3D mapping),證實 NeuE 探針能藉由在大小與彈性上的相似性,與神經細胞相容。接著,研究團隊利用免疫螢光染色技術,分析基因轉殖鼠在被植入NeuE探針2 天、2 周、6 周和3 個月後,其大腦皮質和海馬迴的神經細胞、星狀膠細胞(astrocyte)和微膠細胞(microglia)的分布和數量比例。根據組織免疫染色圖和數據分析的結果,團隊發現實驗組和對照組的小鼠腦內的三種細胞皆均勻分布,數量也沒有明顯差異,因此推論植入NeuE探針並不會誘發大腦產生免疫反應。

接下來,研究團隊想探討能否透過 NeuE 探針長期穩定地從個別神經細胞獲取訊號。因此,他們將 NeuE 探針與 16 個電極均勻植入小鼠的大腦皮質與海馬迴,連續收取90 天的電訊號並進行分析。結果發現 NeuE 探針能在不需位移的情況下穩定記錄腦神經細胞的單元峰電位(single-unit spike)訊號,也能長期個別記錄單一神經細胞發出的電訊號。除此之外,NeuE探針也能搭配三角定位(triangulation)的原理,利用三個鄰近電極進行神經細胞的定位(圖二)。這項發現未來或許可以應用於深度探討神經活動與電位訊號的關聯性。

圖二:利用三角定位的原理,透過NeuE探針進行神經細胞的定位
例: 研究團隊利用12、13、14號電極(藍箭頭)定位出單一神經細胞(綠點)的位置
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41563-019-0292-9

最後,由於研究團隊發現在植入 NeuE 探針的初期容易記錄到新的電訊號,加上 NeuE探針的植入區域位於海馬迴 SGZ(subgranular zone)腦區附近,因此想確認來自海馬迴 SGZ 腦區的神經祖細胞(neural progenitor cells)是否會遷移至 NeuE 探針周圍並發展為成熟的神經細胞。研究團隊利用 DCX(doublecortin)抗體標示新生的神經細胞,發現將 NeuE 探針植入一星期後,DCX+ 細胞會大量分布於探針周圍,證實 NeuE 探針會誘導神經祖細胞的遷移。不過在植入兩星期後,NeuE 探針周圍的DCX+細胞數量會大幅下降。為了進一步探究其背後的原理,研究團隊利用網狀電子探針(mesh electronics)重新進行實驗,發現在植入網狀電子探針一星期後,DCX+細胞雖然同樣會分布於探針周圍,但與植入 NeuE 探針相比,DCX+ 細胞減少大約三倍。因此研究團隊推斷:NeuE 探針的生物相容性能夠調控神經祖細胞的遷移和附著,進而產生神經新生與組織快速修復的效果。

圖三、(a),(b) 研究團隊以DCX(doublecortin)抗體標示新生的神經細胞,以DAPI(4′,6-diamidino-2-phenylindole)標示細胞核DNA,發現在植入NeuE探針一星期後,DCX+細胞(黃)會分布於探針(紅)周圍
(c) 研究團隊將偵測到的 DCX 螢光強度進行標準化,發現在植入 NeuE 探針一星期後有大量的 DCX+ 細胞,但其數量會在第二星期明顯下降。若改為植入網狀電子探針,與植入 NeuE 探針一星期的情況相比,偵測到的DCX+細胞數量減少大約三倍
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41563-019-0292-9

NeuE 探針與腦神經細胞之間次細胞層級的相似與相容性,是生物靈感與仿生學的體現。不但解決過去市面上的神經探針容易干擾細胞活動、誘發免疫反應且無法長期穩定記錄電訊號的問題,甚至促進新生成細胞的遷移,幫助細胞組織進行修復,為日後人機介面(brain-machine interface)與生物醫學治療的發展開啟新頁。

 

參考文獻:

[1] Chen, R., Canales, A., & Anikeeva, P. (2017). Neural Recording and Modulation Technologies. Nature reviews. Materials, 2(2), 16093. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.93

[2] Yang, X., Zhou, T., Zwang, T. J., Hong, G., Zhao, Y., Viveros, R. D., Fu, T. M., Gao, T., & Lieber, C. M. (2019). Bioinspired neuron-like electronics. Nature materials, 18(5), 510–517. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0292-9

撰文|張芷榕
審稿|蔡京庭

 

About the author

張 芷榕

張 芷榕

目前就讀於陽明交通大學藥學系。
大學期間曾前往日本藥科大學&九州大學交換,
並且透過健喬信元獎學金計畫完成一年的神經藥理學專題。
期待能在Investigator TW認識更多對生醫對研究有興趣的人,和大家一起切磋學習。

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