集成碳涂层微电极的神经探针，实现多模态神经递质传感
2025-04-19 16:49:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

神经递质作为“化学信使”，在调节生理机能、稳定神经回路以及各种认知（包括动机形成、情绪调节和学习记忆）过程中发挥关键作用。实时监测其快速动态变化对于推动基础神经科学发展及研发脑部疾病（例如帕金森病、药物成瘾、抑郁症及注意力缺陷多动障碍等）治疗手段至关重要。尽管生物化学传感技术已取得重大进展，但在体内神经递质快速波动精准测量方面仍面临技术挑战。此外，现有神经递质传感器件普遍存在时空分辨率不足、与神经电记录功能难以集成等限制。

据麦姆斯咨询报道，近期，美国达特茅斯学院（Dartmouth College）等机构的研究团队提出一种创新的碳涂层技术，将传统神经电极转化为适用于快速扫描循环伏安法（FSCV）的稳定碳涂层微电极（CCM），可实现具有优异可扩展性和多模态兼容性的神经递质传感。研究团队通过啮齿动物实验验证了碳涂层微电极可在体内实现纳摩尔级多巴胺的亚秒级检测，并制备了高良率、一致性的100通道碳涂层微电极阵列。通过开发集成碳涂层微电极与电生理记录位点的双模态神经探针，首次以亚秒级精度揭示了清醒大鼠腹侧纹状体多巴胺波动与脑内高频伽马振荡的强相关性。这些突破性进展为开发时空可扩展的多模态脑机接口奠定了基础，有望在电化学相关诊疗领域广泛应用。相关研究成果以“Stabilized carbon coating on microelectrodes for scalable and interoperable neurotransmitter sensing”为题发表在Nature Communications期刊上。

在这项工作中，研究团队开发了一种低温碳涂层工艺，将标准微电极转化为适用于高性能神经递质电化学传感的碳涂层微电极（CCM）。基于微纳加工制备的金微电极，仅需两步即可获得稳定碳涂层微电极：（1）在室温下电沉积石墨烯基碳涂层；（2）在250℃时进行温和退火处理，无需额外保护、蚀刻、转移或层压工艺。温和退火工艺能够显著提升碳涂层微电极的电化学稳定性，以实现对多种单胺类物质的高灵敏度FSCV检测。通过电刺激和奖赏反馈实验，验证了其在大鼠和小鼠体内实现亚秒级多巴胺瞬态检测的能力。研究团队还实现了100通道碳涂层微电极阵列的可扩展制备，结果展现出高良率与一致性。此外，通过在单片式深度神经探针中集成碳涂层微电极与电生理记录位点，研究团队在清醒大鼠中首次揭示了成瘾药物诱导的多巴胺与高频伽马振荡的毫秒级动态关联。这种碳涂层稳定化技术有望实现对大脑活动的时空分辨和多路复用映射，将对神经科学研究和临床应用产生直接影响。

图1 电化学稳定的碳涂层微电极

图2 可扩展的碳涂层微电极阵列性能

图3 碳涂层微电极的选择性神经化学传感

图4 碳涂层微电极的自我再生与体内验证

图5 集成碳涂层微电极与电记录位点的双模态神经探针

与现有FSCV兼容碳微电极相比，碳涂层微电极在低温兼容性、高灵敏度、高扩展性及多功能集成方面具有显著优势。研究团队表示，未来的研究重点将聚焦提升碳涂层微电极的体内长期稳定性，并解决FSCV对电记录的干扰问题。鉴于碳传感器在人体应用的转化优势，该技术有望扩展至神经系统疾病与精神障碍的诊疗领域，未来需要开发抗污染涂层与集成化参比电极，以提升其传感稳定性并最大限度地减少对神经组织的损伤。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58388-z

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