USEs探针的设计与微加工制造
制造具有超柔性和高密度的伞型可拉伸电极阵列。
在4英寸硅片上采用标准微加工工艺，依次形成铝牺牲层、聚酰亚胺绝缘层、金导电层、SU-8增强层，释放后电沉积铂或PEDOT:PSS，并用PVA涂层保护。
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用于长期神经记录的伞型可拉伸电极阵列
Umbrella-type stretchable electrode arrays for long-term neural recording.
实验完整度
高包含体外琼脂糖模型、离体组织透明化与免疫组化、在体长期电生理记录等多个独立证据层级，并有功能与机制验证
主要模型
C57BL/6J小鼠（慢性记录与免疫组化） Thy1-YFP转基因小鼠（界面表征） 0.6%琼脂糖脑模型（体外植入测试） 120通道与240通道USEs探针
重点核对
小鼠品系与周龄：C57BL/6J野生型（Jackson Laboratory stock No. 000664）和Thy1-YFP转基因小鼠，手术时8~10周龄 探针通道数：120通道和240通道USEs探针，记录位点间距分别为50 μm和30 μm 植入手术参数：三溴乙醇麻醉（1.25%，0.02 mL/g体重，腹腔注射），颅窗直径0.8~1 mm，光纤直径约190 μm辅助植入 慢性记录时间点：植入后1周开始，每周记录一次；长期追踪至80周 视觉刺激参数： drifting square-wave gratings，空间频率0.1 cycle/degree，时间频率1.6 Hz，对比度100%，12个方向（0°~330°，30°间隔），每个方向40 trials
摘要
柔性植入式神经电极因其在数周或数月内具备慢性单单元记录能力而受到广泛研究。然而，在长达数年的时间尺度上对同一神经元集合进行高密度稳定记录仍然具有挑战性。在此，我们通过开发伞型可拉伸电极阵列来应对这一挑战，该阵列锚定在周围脑组织中，形成无缝的神经电子接口。我们表明，伞型可拉伸电极阵列创建的神经电子接口具有减少的探针漂移和胶质增生，可在头部固定的小鼠中稳定追踪同一神经元集合超过80周（约1.5年）。我们还证明，小鼠初级视觉皮层中的方向选择性神经元群体可以在20周内被一致地记录。具有长期记录能力的伞型可拉伸电极阵列在基础神经科学研究和临床脑机接口系统方面都具有重要前景。
实验结论
提炼研究问题、关键发现与证据，快速把握文章的核心贡献。
- 研究问题
- 如何避免高密度电极在长期植入过程中的探针漂移和过度胶质增生，从而在数年尺度上稳定追踪同一神经元集合。
- 核心机制
- 伞型可拉伸电极阵列植入后形成开放圆柱状结构，与周围恢复的神经组织形成无缝神经电子接口；底部中央参考电极的锚定效应减少探针漂移，且不引起过度胶质增生或胶质瘢痕。
- 主要证据
- 在头部固定小鼠中，120通道USEs探针稳定追踪同一神经元集合超过80周（约1.5年）；在自由活动小鼠中稳定记录单神经元放电3~8周；在小鼠初级视觉皮层中一致记录方向选择性神经元群体16~35周；组织透明化与免疫组化显示无缝接口和减少的胶质增生。
- 研究意义
- 为长期基础神经科学研究（如脑发育和衰老过程中的超长期神经记录）和临床脑机接口系统提供了有前景的工具。
研究路径
按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。
有限元分析评估植入安全性
计算电极丝在拉伸和下降过程中的应力分布，评估最大安全植入深度。
使用Abaqus软件建立USEs探针记录区、琼脂糖水凝胶和脑组织的三维有限元模型，模拟刚性穿梭器向下位移δz的过程，计算von Mises应力。
体外琼脂糖脑模型植入测试
验证USEs探针在拉伸和植入后的结构可行性。
将PVA支持的USEs探针置于0.6%琼脂糖凝胶表面，溶解PVA后，用平头光纤对准中央参考电极并垂直下压，将记录位点植入琼脂糖中，随后撤回光纤。
小鼠在体植入手术
将USEs探针植入目标脑区，建立长期记录接口。
麻醉小鼠，固定于立体定位仪，安装头板，在目标脑区上方开颅窗并去除硬脑膜，预铺藻酸盐水凝胶膜，用光纤辅助将USEs探针植入，撤回光纤后用牙科水泥固定。
组织透明化与界面成像
表征USEs探针与脑组织之间的界面结构。
将植入USEs探针的Thy1-YFP转基因小鼠脑组织切片，用PEGASOS方法透明化，用共聚焦显微镜成像，并进行3D重建。
免疫组化评估胶质反应
评估慢性植入USEs探针周围的胶质细胞活化和神经元存活情况。
将植入USEs探针的C57BL/6J小鼠脑组织切片，用DAPI、Iba1、GFAP和NeuN抗体染色，共聚焦显微镜成像并分析荧光强度。
长期在体电生理记录
验证USEs探针在头部固定和自由活动小鼠中的长期稳定记录能力。
将120通道USEs探针植入PFC、运动皮层或海马，术后2周开始每周记录，通过定制PCB连接信号采集系统，记录LFP和AP信号，并进行spike sorting和统计分析。
自由活动小鼠记录与相位锁定分析
验证USEs探针在自由活动状态下记录单神经元放电及相位锁定特性的能力。
将植入120通道USEs探针的小鼠置于圆形场地，用微型PCB连接记录系统，同时进行轨迹追踪和神经记录，分析theta振荡相位锁定。
视觉皮层方向选择性记录
验证USEs探针在小鼠初级视觉皮层长期记录方向选择性神经元群体活动的能力。
对头部固定小鼠进行漂移光栅视觉刺激，同时记录V1神经元放电，计算方向选择性指数（OSI）。
研究方法
按研究目的归类文中使用的方法，便于定位所需技术。
产品清单
| 实验环节 | 名称 | 品牌 | 货号 |
|---|---|---|---|
| 微加工制造 | S1813光刻胶 | Microposit, Dow Chemical Co. | -- |
| 聚酰亚胺U-Varnish S | UBE Industry, Ltd. | -- | |
| LOR 3A | MicroChem. Corp. | -- | |
| AZ4620光刻胶 | Merck Electronic Materials Ltd. | -- | |
| SU-8 | MicroChem. Corp. | -- | |
| 各向异性导电膜DP3342MS | Sony Chemical & Device Corporation | -- | |
| 电沉积 | 3,4-乙烯二氧噻吩 | Sigma-Aldrich | 483028 |
| 聚苯乙烯磺酸盐 | Sigma-Aldrich | 527483 | |
| 探针保护涂层 | 聚乙烯醇 | Sigma-Aldrich | 363170 |
| 聚乙烯醇 | Sigma-Aldrich | 363081 | |
| 体外琼脂糖植入 | 琼脂糖A8190 | Solarbio | A8190 |
| 动物手术 | 三溴乙醇 | Nanjing Aibei Biotechnology Co., Ltd. | -- |
| 组织粘合剂1469SB | 3M Vetbond | 1469SB | |
| 海藻酸钠S817373 | Macklin | S817373 | |
| 氯化钙C805228 | Macklin | C805228 | |
| 组织固定与切片 | OCT包埋剂4583 | Sakura Finetek Japan Co., Ltd. | 4583 |
| 免疫组化 | Triton X-100 T8200 | Solarbio | T8200 |
| 兔多克隆NeuN抗体ABN78 | Sigma-Aldrich | ABN78 | |
| 鸡多克隆GFAP抗体PA1-10004 | Thermo Fisher | PA1-10004 | |
| 鼠单克隆Iba1抗体ab283319 | Abcam | ab283319 | |
| 山羊抗兔IgG (H+L) Alexa Fluor 488 A-11008 | Thermo Fisher | A-11008 | |
| 山羊抗鸡IgY (H+L) Alexa Fluor 633 A-21103 | Thermo Fisher | A-21103 | |
| 山羊抗鼠IgG (H+L) Alexa Fluor 555 ab150114 | Abcam | ab150114 | |
| DAPI C10002 | Beyotime | C10002 | |
| Fluoromount-G封片剂0100-01 | SouthernBiotech | 0100-01 | |
| 电生理记录 | CerePlex Direct信号采集系统 | Blackrock Microsystems | -- |
| 视觉刺激 | 三星S27AG524PC显示器 | Samsung | S27AG524PC |
关键环节
汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。
| 环节 | 核对要点 |
|---|---|
| 小鼠在体植入手术 | 麻醉剂三溴乙醇剂量（1.25%，0.02 mL/g体重，腹腔注射）；颅窗直径0.8~1 mm；藻酸盐水凝胶膜厚度0.3~0.5 mm；光纤直径约190 μm；目标脑区（PFC、运动皮层或海马） 阅读提示：Methods中Animal surgeries小节 |
| 长期电生理记录 | 记录起始时间（植入后1周开始，术后2周恢复后每周记录）；信号采集系统（CerePlex Direct，256通道）；滤波参数（LFP低通250 Hz，AP带通250–5000或300–5000 Hz）；spike sorting软件（Offline Sorter或Kilosort 2.5）及阈值（-4σ或-5σ） 阅读提示：Methods中Long-term neural recording and signal analysis小节 |
| 视觉刺激实验 | 显示器型号与刷新率（Samsung S27AG524PC，165 Hz）；刺激参数（空间频率0.1 cycle/degree，时间频率1.6 Hz，对比度100%，呈现600 ms，间隔200 ms）；方向数（12个，0°~330°，30°间隔）及每个方向 trials 数（40 trials）；眼与显示器距离约16 cm 阅读提示：Methods中Visual stimulation小节 |
| 免疫组化染色 | 植入后取材时间（8~16周）；脑切片厚度（30或50 μm）；一抗种类与稀释比（NeuN 1:1000, GFAP 1:1000, Iba1 1:1000）；二抗稀释比（1:1000）；DAPI浓度（1 μg/mL） 阅读提示：Methods中Immunohistochemical staining小节 |
| 组织透明化与成像 | 脑切片厚度（1 mm）；透明化方法（PEGASOS，约1周）；共聚焦显微镜型号与物镜（Leica Stellaris 8 DIVE 20×/0.95油镜；Leica TCS SP8 10×/0.40）；激光波长（561 nm和488 nm） 阅读提示：Methods中Tissue clearing and imaging小节 |