国家纳米科学中心 方英课题组在大脑神经调控与读取技术取得新进展

 

近日，国家纳米科学中心方英研究员及其团队在高精度神经调控与读取技术取得新进展,相关论文“Self-assembled multifunctional neural probes for precise integration of optogenetics and electrophysiology”(《自组装多功能神经电极用于高精度光遗传调控与神经记录》)发表在Nature Communications, 2021, 12, 5871。

脑科学的核心目标是解析神经电活动如何控制大脑的功能以及脑疾病的神经机制。要实现这些目标，需要精准调控与读取特定神经环路的电活动信息。其中光遗传与多通道电生理记录联用技术，可以实现对神经元电活动的高时间分辨率调控与读取，在神经功能环路解析和脑疾病机制研究中均具有重要意义。然而在传统方法中，由于光刺激范围与电极记录范围在空间上存在一到两个数量级的差别，导致神经元电活动功能归属模糊，给神经环路的高精度解析带来了困难和挑战。

国家纳米科学中心方英课题组长期致力于发展大脑神经信息分析新技术及其在脑功能解析和脑机接口领域中的应用。前期，课题组利用微纳加工技术和生物相容性纳米材料，发展了一系列新型柔性神经电极技术，包括可注射式柔性神经电极(Nature Nanotechnology, 2015, 10, 629)、基于石墨烯和碳纳米管的柔性全碳神经电极(Nano Letters, 2017, 17, 71)、以及高密度柔性神经流苏电极(Science Advances, 2019, 5, eaav2842)等，为长期稳定读取大脑神经电活动提供了重要的工具。

 

图1：(a)多功能柔性神经电极的自组装示意图;(b)大脑中基因载体的精准递送

 

在前期研究的基础上，方英课题组近期构建了一种多功能柔性神经电极技术，同步实现了大脑中基因载体的精准递送、长期光遗传学调控和神经电生理记录。利用化学家非常熟悉的弹性毛细自组装原理，研究人员将高通量柔性神经电极和光导元件在含有光遗传基因载体的聚合物液体中进行自组装，得到了体积只有纳升级别的多功能柔性神经电极。研究发现，多功能柔性神经电极能够实现基因载体在电极-神经界面的高效递送和表达。基于此，研究人员利用多功能柔性神经电极将光遗传蛋白精准表达在电极-神经界面100微米范围内，从而确保了光遗传调控神经元集群和电生理记录神经元集群的高度空间一致性。进一步利用柔性神经电极良好的生物相容性，实现了对大脑神经元电活动长达三个月以上的稳定读取与调控。

图2：(a)柔性神经电极;(b)多功能柔性神经电极;(c)电极-神经界面的精准基因递送和表达;

(d)大脑中同步神经读取与调控;(e)精准神经读取与调控示意图

多功能柔性神经电极技术能够同步实现大脑中基因载体的精准递送、光遗传调控和长期神经电生理记录，因此在神经环路的精准解析和脑机接口等领域具有重要的应用前景。该论文第一作者是国家纳米科学中心的博士研究生邹亮和助理研究员田慧慧，通讯作者是方英研究员。该项研究得到中科院战略性先导科技专项(B类)“脑认知与类脑前沿研究”、国家自然科学基金重大项目“帕金森综合症的神经分析化学基础研究”和国家自然科学基金国际(地区)合作交流项目“超薄柔性神经电极用于古老脑的编码机制研究”的支持。

 

 

 

动感国家纳米科学中心：全自动微流控核酸检测芯片及仪器等技术研发上取得了重要进展

 

 

国家纳米科学中心(以下简称“国家纳米中心”)是由中国科学院和教育部共同建设，2003年12月获中央机构编制委员会办公室批复成立的中国科学院直属事业单位。

国家纳米中心定位于纳米科学的基础和应用基础研究，目标是建成具有国际先进水平的研究基地、面向国内外开放的纳米科学研究公共技术平台、中国纳米科技领域国际交流的窗口和人才培养基地。在努力为中国纳米科技发展提供支撑的同时，国家纳米中心还致力于促进国家纳米科技产业的标准化和规范化发展，以期为中国纳米科技的健康、有序发展做出贡献。广泛开展国内外科技合作与交流，积极融入全球创新网络，建设国际一流科研机构。

国家纳米中心现有3个中国科学院重点实验室，分别是中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室、中国科学院纳米标准与检测重点实验室和中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室。并于2020年批准筹建中国科学院纳米光子材料与器件重点实验室(筹)。纳米生物效应与安全性重点实验室设有纳米生物效应与安全性研究室，纳米标准与检测重点实验室设有纳米表征、纳米标准2个研究室，纳米系统与多级次制造重点实验室设有纳米器件、纳米材料、纳米制造与应用基础等6个研究室。国家纳米科学中心于2018年12月成立了理论室、纳米加工实验室。此外，国家纳米中心与北京大学、清华大学、中国科学院福建物质结构研究所等单位共建协作实验室19个。

国家纳米中心设有党委办公室、办公室、科技处、人事处、教育处、财务处、科技发展与促进处、行政处、资产管理处等9个职能管理部门。

国家纳米中心设立纳米技术发展部，致力于公共开放平台建设，为纳米科技研究提供支撑，主要从事纳米检测技术服务，开展相关培训和研发工作。

国家纳米中心是2005年国务院学位委员会批准的博士、硕士学位授予权单位之一，现设有化学、材料、物理等3个专业一级学科博士研究生培养点，化学、材料、物理、生物等4个专业一级(或二级)学科硕士研究生培养点，并设有博士后流动站。

国家纳米中心科研工作整体竞争力不断提升。在Nature自然指数最新排名中，国家纳米中心位居全院第四位。2016年，按照中国科学院的统一要求，国家纳米中心顺利通过了纳米科学卓越创新中心筹建的验收，标志着卓越中心建设进入了新的发展阶段。

截至2020年底，国家纳米中心共有在职职工273人，其中科技人员199人、科技支撑人员43人。现有中国科学院院士2人、发展中国家科学院院士1人、研究员及正高级工程技术人员76人、副研究员及高级工程技术人员105人。共有在学研究生456人(其中硕士生201人、博士生255人)、在站博士后75人，联合培养研究生330人。

十多年来，国家纳米中心立足面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场、面向人民生命健康，科研工作取得了一系列重要进展，机构的科技竞争力显著提高。基础研究方面，国家纳米中心面向交叉学科前沿，开展前瞻性基础研究，在纳米生物安全效应研究、纳米材料自组装研究、碳基新原理器件研究、功能导向纳米材料研究等科学领域取得了一批重要的创新成果。应用基础研究方面，国家纳米中心面向国家和社会需求，开展产业核心技术探索研究，在纳米复合涂层材料应用于电力设备防污闪、艾滋病预防药物研制、生化检测试纸的低成本打印技术和全自动微流控核酸检测芯片及仪器等技术研发上取得了重要进展。技术支撑体系方面，国家纳米中心以技术标准与战略研究工作为主，初步搭建了我国纳米测量用标准体系，形成了标准物质和标准方法研制的系列化和多样化，使我国成为世界上纳米标准最丰富的国家之一。

国家纳米中心是全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)、中国合格评定国家认可委员会(CNAS)科研实验室专业委员会、中国微米纳米技术学会纳米科学技术分会的挂靠单位。国家纳米中心与英国皇家化学会联合主办的英文期刊Nanoscale、Nanoscale Advances受到国内外学界的广泛关注。