在神经科学研究的广阔领域中，理解大脑的奥秘一直是科学家们不懈追求的目标。电生理学记录和双光子成像技术，如同两把神奇的钥匙，本应能帮助我们打开大脑神秘的大门，深入探索其内部的奥秘。然而，传统的金属基神经接口却像一块顽固的绊脚石。当进行双光子成像时，激光照射在这些金属电极上，会引发令人头疼的光电伪影，就像在高清电影中突然出现大量噪点，严重干扰了成像的准确性和清晰度，让我们难以看清大脑内部的真实情况。而现有的透明植入物也并非完美无缺，为了满足一定的导电性要求，它们的互连线往往是不透明的，这就好比在我们观察大脑的道路上设置了一道道屏障，阻碍了我们全面、清晰地观察神经元网络的结构和活动 。
在这样的困境下，来自韩国多所高校（Yonsei University、Catholic Kwandong University、Incheon National University 等）以及日本科研机构（RIKEN、The University of Tokyo）的研究人员决心攻克这些难题。他们聚焦于开发一种全新的神经接口，经过不懈努力，成功研制出了光学透明的 PEDOT:PSS 神经电极阵列。这一成果意义非凡，它不仅实现了低噪声的电生理记录，还能在双光子成像时避免伪影的干扰，为神经科学研究和相关临床治疗开辟了新的道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。在材料制备上，精心选用 PET、PDMS、PEDOT:PSS 等材料，并对 PEDOT:PSS 进行特定处理以提升性能。通过光刻技术对电极进行图案化处理，利用电化学阻抗谱（EIS）来分析电极的电化学性能。在动物实验方面，选用 8 周龄 C57BL/6 小鼠和胚胎期 14.5 天的 ICR 小鼠，进行体内电生理记录、双光子成像以及生物相容性测试等实验。
研究结果
- 电学性能（Electrical performances FPE-PEDOT）：研究人员开发的经甲酰胺、磷酸和乙二醇（FPE）处理的 PEDOT:PSS（FPE-PEDOT）神经电极阵列完全透明，能同时满足双光子成像和电生理信号记录的要求。FPE 处理显著提升了 PEDOT:PSS 电极的导电性，即便电极尺寸仅为 20×20μm²，在 1kHz 时其平均阻抗也可低至 45.8kΩ，远低于此前的透明无金属电极 。而且，该电极在可见光谱范围内具有较高的透光率，平均透光率达到 73%，优于许多传统透明导电材料。通过 EIS 分析可知，FPE-PEDOT 电极的电荷转移电阻（Rct）仅为 29.77kΩ，展现出卓越的电化学性能。
- FPE 浸泡处理制备高导电 PEDOT:PSS 电极（FPE immersion treatment for highly conductive PEDOT:PSS electrode）：FPE 处理通过一系列复杂而精妙的过程提升了 PEDOT:PSS 的导电性。甲酰胺凭借其强两亲性，减弱了 PEDOT 和 PSS 之间的离子键；磷酸处理则有效去除了部分 PSS 链，进一步优化了电荷传输路径；乙二醇的处理使 PEDOT 的分子结构发生转变，减小了 π-π 堆积距离，大大提高了电荷传导效率。经过 FPE 处理后，PEDOT:PSS 膜的电导率大幅提升至 3.4×10³ S/cm，同时其体积电容也显著增加，从原始的 0.436 F/cm³ 提升到 30.4 F/cm³，表面粗糙度增大，这些变化都有力地证明了 FPE 处理对电极性能的显著改善。
- FPE-PEDOT：无细胞毒性、无炎症且对共聚焦显微镜成像干扰极小（FPE-PEDOT: Non-Cytotoxic, Non-Inflammatory, and Minimally Interfering with Confocal Microscopy Imaging）：无论是体外细胞实验还是体内组织实验都表明，FPE-PEDOT 具有良好的生物相容性。体外细胞活力测试显示，在 FPE-PEDOT 电极表面培养的神经元与对照组一样，几乎没有细胞死亡现象。体内免疫组化分析发现，植入 FPE-PEDOT 电极后，脑组织中促炎表型标记物 CD86 的表达极低，这表明该电极不会引发免疫反应和炎症反应。而且，与传统的铂电极相比，FPE-PEDOT 电极在共聚焦显微镜成像时几乎没有自发荧光，极大地提高了成像质量，能够清晰地观察细胞。
- 体内细胞外动作电位和局部场电位的电生理记录（In Vivo Electrophysiological Recording of Extracellular Action Potentials and Local Field Potentials）：将 FPE-PEDOT 电极植入小鼠初级体感皮层（S1）进行体内电生理信号记录。实验结果令人惊喜，该电极能够精准地捕捉到细胞外动作电位（EAPs）和局部场电位（LFPs） 。在注射匹鲁卡品诱导癫痫发作的实验中，FPE-PEDOT 电极展现出极低的均方根噪声（RMS），仅为 6.6 - 6.8µV，成功记录到了癫痫发作时神经元的异常放电活动。相比之下，传统的 ITO 电极由于阻抗较高，RMS 噪声高达 50 - 60µV，几乎无法检测到 EAPs。这充分证明了 FPE-PEDOT 电极在体内电生理记录方面的强大优势，能够有效监测正常和异常的神经元活动。
- 使用 FPE -PEDOT 实现电生理记录与双光子成像的集成（Integration of Electrophysiological Recordings with Two-Photon Imaging Using FPE -PEDOT）：研究人员成功地将 FPE-PEDOT 电极的电生理记录功能与双光子成像技术相结合。实验结果显示，FPE-PEDOT 电极对双光子成像的阻碍极小，能够清晰地观察到大脑内部的血管和细胞结构，而传统的铂黑电极则会导致成像严重失真。在双光子成像过程中，FPE-PEDOT 电极依然能够稳定地记录电生理信号，其 RMS 噪声几乎不受激光影响，这为同时获取神经元的结构和功能信息提供了有力支持，极大地推动了神经科学研究的发展。
研究结论与讨论
本研究成功制备的 FPE-PEDOT 神经电极阵列，在电化学性能、生物相容性和光学透明性方面都展现出卓越的优势。它有效解决了传统神经接口存在的诸多问题，为神经科学研究和临床应用提供了一种强大而可靠的工具。通过 FPE 处理，PEDOT:PSS 电极的性能得到了显著提升，能够实现高精度的电生理记录和高质量的双光子成像。同时，该电极良好的生物相容性也为其在体内长期应用奠定了坚实基础。这一研究成果为未来开发更先进的神经接口、深入探究神经活动机制以及开展相关疾病的诊断和治疗提供了新的方向和可能，有望在神经科学和生物医学领域引发新的研究热潮，推动相关领域取得更大的突破。
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