丝蛋白赋能的自展开脑室界面实现微创深部脑区神经信号记录

《Nature Communications》：Silk-enabled conformal intraventricular interfaces for minimally invasive neural recordings

　　本研究针对脑室周围深部脑区神经活动监测的技术难题，开发了一种基于丝蛋白支架的自展开柔性脑室界面(IVI)。该装置可通过临床常用导管微创植入侧脑室，在脑脊液环境中自适应贴合脑室周围神经结构表面，利用平面屏蔽电极技术实现高质量信号采集。在帕金森病羊模型中成功监测到深部脑区异常活动，并实现为期四周的稳定记录，为深部脑区神经环路研究提供了新的技术平台。

　　

深部脑区作为认知、情感等高级神经功能的关键区域，其异常活动与帕金森病、阿尔茨海默病等多种神经系统疾病密切相关。然而，由于脑室系统的特殊解剖结构和脑脊液的动态环境，如何在微创条件下实现对脑室周围神经结构的长期稳定记录，一直是神经科学领域的技术瓶颈。

传统深部电极如立体定向脑电图(SEEG)和Utah阵列等，虽然能够记录深部脑区活动，但其刚性特性与脑组织存在机械失配，植入过程容易对目标核团造成损伤。此外，这些电极的轴向分布特点难以实现对较大脑区表面的覆盖。柔性平面电极虽具有更好的生物相容性，但缺乏有效的微创植入技术，特别是在动态脑脊液环境中实现与神经结构的共形贴附面临巨大挑战。

针对这一难题，梁继智、王新二等研究人员在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，开发了一种丝蛋白赋形的自展开脑室界面(IVI)。该装置巧妙结合了柔性微电极阵列的变形能力和丝蛋白支架的形状记忆特性，可通过临床常用导管微创植入侧脑室，在脑脊液触发下自动展开并贴合脑室周围神经结构表面。

研究团队采用微机电系统(MEMS)技术制备了14μm厚的柔性微电极阵列(dMEA)，通过双面金属层结构和聚酰亚胺(PI)夹层设计，实现了电极位点和焊盘的双面分布。为提升信号质量，研究人员创新性地设计了平面金属屏蔽层(T1型)，与无屏蔽的T0型电极相比，可显著降低电磁干扰。有限元模拟显示，屏蔽设计使微电极位点的电势分布降低了至少50%。

丝蛋白支架的自展开机制是该项技术的核心创新。通过二维广角X射线衍射(2D-WAXD)分析，研究人员发现丝蛋白在微型化过程中会产生方向性结晶，在脑脊液环境中氢键断裂后恢复弹性状态，从而实现自展开效应。根据脑室周围神经结构的不同曲率，团队设计了凸面和凹面两种IVI模型，并在3D打印的透明侧脑室模型中验证了其贴合性能。

在技术方法上，研究主要涉及：1）采用微机电系统技术制备柔性微电极阵列；2）基于丝蛋白形状记忆特性开发自展开支架；3）通过平面金属屏蔽设计提升信号质量；4）使用帕金森病羊模型进行临床前验证；5）结合计算机断层扫描(CT)进行精准植入定位。

研究结果

高质量电生理信号记录

平面屏蔽设计显著提升了信号采集质量。在磷酸盐缓冲液(PBS)中的测试显示，T1型IVI在10Hz以下频率及工频谐波处的噪声水平明显低于T0型。在青霉素诱导的癫痫小鼠模型中，T1型电极记录的信号显示出更清晰的癫痫样放电特征，信噪比(SNR)显著提高(6.626±0.1119 vs 4.217±0.1395)。拉布拉多犬的皮质记录结果进一步验证了T1型电极在降低工频噪声方面的优势。

帕金森病羊模型的神经活动解码

在MPTP(1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶)诱导的帕金森病羊模型中，IVI成功植入尾状核头部。左旋多巴(LD)治疗后，β波段能量显著降低，特别是在19Hz附近的峰值活动减弱。β爆发分析显示，给药前长时程爆发(>0.3s)比例更高，而给药后短时程爆发(0.1-0.15s)增加。基于奇异值分解和线性判别分析(SVD-LDA)的模型对病理状态的判别准确率最高可达91%，且不同通道信号相关性较低，表明可提取互补的神经特征。

自由活动羊的脑室内电生理记录

长期植入实验验证了IVI在自由活动条件下的稳定性。四周内每周记录的信号功率谱密度分析显示，慢性PD状态下出现显著的18Hzβ波段峰值。β爆发特征在PD建模过程中呈现渐进性变化，爆发幅度、持续时间和频率均显著增加。CT扫描证实IVI位置稳定，免疫荧光分析显示植入四周后神经元密度、小胶质细胞和星形胶质细胞活化与对照侧无显著差异，表明良好的生物相容性。

研究结论与意义

该研究开发的丝蛋白赋能脑室界面技术，成功解决了在动态脑脊液环境中建立稳定神经界面的技术难题。通过将柔性自展开神经接口与神经外科导管相结合，实现了对脑室周围结构的微创记录，为深部脑区神经环路研究提供了新的技术平台。

与传统的SEEG和刷状电极相比，IVI技术避免了对目标神经核团的侵入性损伤，特别适合在脑脊液环境中进行大面积稳定记录。其平面屏蔽设计有效提升了信号质量，而丝蛋白支架的可控自展开特性为不同手术方案提供了灵活性。

未来，该技术有望与神经内镜等标准微创神经外科工具实现无缝集成，通过与皮质电极耦合，实现脑室内和皮质神经活动的同步记录。这一平台不仅为深部脑区神经环路研究提供了新工具，更有望为涉及脑室周围结构的神经精神疾病提供实时监测、早期预警和治疗干预的新途径。