新型纳米光学探针有望对神经活动进行监测

加州大学圣克鲁斯分校的研究人员已经开发出超灵敏的纳米级光学探针，以监测神经元和其他可兴奋细胞的生物电活动。这项新颖的读出技术可以使科学家通过同时监视大量单个神经元，以前所未有的规模研究神经回路的功能。这也可能导致具有大幅提高的精度和功能的高带宽脑机接口。

常规地，使用微电极阵列来完成对神经元电活动的监测，但是它们很难大规模实施并且空间分辨率有限。此外，加州大学圣克鲁斯分校的电气和计算机工程助理教授阿里·扬尼克(Ali Yanik)表示，读出所需的电子布线是微电极的主要限制。

雅尼克说：“电子线路的极度有限的带宽是由电子的本质所造成的瓶颈。”“我们之所以选择光子，是因为光提供了十亿倍的增强的多路复用和信息承载能力，这也是电信行业转向光纤的原因。通过将生物电信号转换为光子，我们将能够光学传输大带宽的神经活动。 ”

UCSC巴斯金工程学院的Yanik实验室与圣母大学的合作者一起开发了细胞外纳米探针，该探针可对电生理信号进行超灵敏的光学监测。其他光学监控技术需要进行基因改造，才能将荧光分子插入细胞膜，从而排除了其在人体中的使用。

Yanik的方法类似于细胞外微电极技术，除了读出机制是光学的并且探针具有纳米级尺寸。此外，与基于荧光的探针相比，它产生的信号要明亮得多，信噪比更高。

Yanik说：“利用光的无与伦比的多路复用和承载信息的能力来解剖神经电路并解密电生理信号已成为神经科学家的目标。近50年来，我们可能终于找到了一种方法。”

10月18日发表在《科学进展》上的一篇论文中对这种新技术进行了描述。Ahsan Habib博士Yanik实验室的候选人是该论文的第一作者。

尽管该技术仍处于开发的早期阶段，但亚尼克(Yanik)表示，它可能为广泛的应用打开大门。他说，最终，这可能会导致强大的脑机接口，从而为残疾人开发新的脑控假体技术。

Yanik的光学纳米探针是纳米器件(直径小于100纳米)，其基于与称为PEDOT的生物相容性聚合物偶联的新型金属天线结构。该聚合物是“电致变色的”，意味着其光学性质会响应于局部电场而变化。该天线是“等离子纳米天线”，这意味着它以类似于无线电天线的方式利用光和物质的纳米级相互作用。结果是一种“电等离子体纳米天线”，能够以非常高的灵敏度提供对局部电场动力学的可靠光学检测。

Yanik解释说：“电浆等离子体纳米天线的共振频率随电场而变化，我们可以看到，当我们在其上照射光时，就可以远程读取信号。”

研究人员进行了一系列实验室实验，以表征和优化电等离子体纳米天线的特性。然后，他们测试了它在心肌细胞(像神经元一样可以产生电脉冲的心肌细胞)细胞培养物中监测电生理信号的能力。结果表明，实时，全光学检测心肌细胞中的电活动，具有高信噪比。

相关链接：https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaav9786