18:00 
Предпосылка
Понимание динамических нейронных механизмов циклов сна и бодрствования является серьезной задачей в науке о сне и нейроинженерии. Сон, необходимый для поддержания гомеостаза и когнитивных функций мозга, зависит от сложной координации между электрической активностью нейронов и нейрохимическими сигналами в определенных областях мозга. Прилежащее ядро, ключевой узел в цепи вознаграждения и мотивации, было идентифицировано как критически важное для регуляции переходов между стадиями сна посредством динамики дофамина и паттернов активации нейронов.
Однако существующие технологии нейронного зондирования сталкиваются со значительными ограничениями в достижении одновременного in-situ обнаружения электрофизиологических и нейрохимических сигналов. Хотя некоторые исследования интегрировали электрохимические функции в массивы микроэлектродов, существующие системы страдают от двух основных узких мест: зависимости от имплантированных извне референтных электродов, которые вызывают значительное повреждение тканей и плохую долговременную стабильность, и традиционных методов покрытия, которые приводят к перекрестным помехам между функциональными участками, что ставит под угрозу как чувствительность, так и точность.
Прогресс исследований
Прорыв в технологии нейронного зондирования был достигнут благодаря сотрудничеству между командой профессора Цая Синься из Национальная ключевая лаборатория сенсорных технологий Научно-исследовательского института аэрокосмической информации Китайской академии наук и команда профессора Ю Яньциня из Чжэцзянского университета. Они успешно разработали новую интегрированную многоканальную микроэлектродную решетку с тремя электродами, которая позволяет одновременно контролировать нейрохимические и электрофизиологические сигналы у свободно ведущих себя животных.
Исследовательская группа реализовала инновационную стратегию целевой модификации, создав специализированные функциональные участки внутри интегрированной трехэлектродной системы. Рабочий электрод, чувствительный к дофамину, был усовершенствован композитом PtNP/PEDOT:PSS/Nafion для достижения превосходной селективности и чувствительности. Для электрофизиологической регистрации электроды были модифицированы PtNP/PEDOT:PSS, чтобы значительно снизить импеданс и оптимизировать качество сигнала. Между тем, электрод сравнения был покрыт IrOx, чтобы обеспечить исключительную долговременную стабильность при применении in vivo. Эта сложная конструкция обеспечивает высокоэффективное электрохимическое обнаружение и электрофизиологическую регистрацию в одном компактном зонде.
Сканирующая электронная микроскопия подтвердила различные морфологические характеристики каждого функционального участка без перекрестного загрязнения между покрытиями. Электрохимический участок имел слой нафиона, в то время как прилегающие участки записи оставались чистыми, демонстрируя точный пространственный контроль на микромасштабе. Референтный электрод имел пористую структуру IrOx, идеальную для стабильного потенциального ответа.
Эксперименты in vivo на свободно движущихся мышах фиксировали динамическое высвобождение дофамина и нервную активность на стадиях сна и бодрствования. Уровни дофамина достигали максимума во время бодрствования, падали до самого низкого уровня во время сна с медленным движением глаз (NREM) и наиболее значительно возрастали во время перехода от REM-сна к бодрствованию, подчеркивая роль дофамина в переходах между состояниями сна.
Дальнейший анализ выявил три отдельные популяции нейронов: REM-неактивные нейроны (RIN), REM-стабильные нейроны (RSN) и REM-ритмические нейроны (RRN). RSN и RRN показали самую высокую скорость стрельбы во время бодрствования и самую низкую во время медленного сна. Примечательно, что их динамика активности тесно синхронизирована с колебаниями дофамина, что является прямым доказательством дофаминергической модуляции в регуляции сна и бодрствования.
Перспективы на будущее
Эта трехэлектродная интегрированная микроэлектродная матрица представляет собой инновационную двухмодальную сенсорную платформу для синхронизированного мониторинга электрофизиологической и нейрохимической активности в глубоких областях мозга. Модульная конструкция платформы позволяет функционально расширять ее путем корректировки стратегий целевой модификации, обеспечивая специфическое обнаружение других нейротрансмиттеров, таких как глутамат и серотонин. Этот комплексный сенсорный подход открывает новые возможности для декодирования глубоких цепей мозга в реальном времени, оптимизации интерфейсов мозг-компьютер и точной оценки нейромодуляционной терапии, что имеет широкие последствия для фундаментальной нейробиологии и клинических приложений.
