用于在自由活动小鼠中同步记录皮质内神经活动的电生理和进行钙成像的透明、柔性的基于石墨烯 - 氧化铟锡的神经微电极

“Transparent, flexible graphene–ITO-based neural microelectrodes for simultaneous electrophysiology recording and calcium imaging of intracortical neural activity in freely moving mice” 发表于Microsystems & Nanoengineering。文章的核心内容是关于一种新型透明柔性石墨烯-ITO（氧化铟锡）基神经微电极（Gr-ITO-TFNMEs）的研究，该微电极能够实现在自由活动小鼠的海马区同时进行电生理记录和钙成像，为神经科学研究提供了一种高时空分辨率的多模态记录工具。

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背景知识

神经活动记录的重要性：神经活动记录对于理解大脑功能、阐明神经系统疾病机制以及开发有效治疗方法至关重要。电生理技术能够以高时间分辨率记录神经电活动，但缺乏空间特异性；而钙成像技术通过遗传或化学工程化的钙指示剂提供细胞类型特异性，但时间分辨率受限于钙指示剂与钙离子结合的动力学。

多模态神经记录工具的需求：结合电生理和钙成像的统一工具对于实现神经活动的高时空分辨率记录具有重要价值。

研究方法

微电极设计：研究者开发了一种基于石墨烯和ITO的透明柔性神经微电极（Gr-ITO-TFNMEs），利用ITO作为电极的界面材料，金属（Cr/Au/Cr）作为互连，石墨烯作为ITO和金属互连之间的导电桥。这种设计克服了ITO的脆性，优化了导电性，同时保持了透明性和灵活性。

微电极制造：为了解决大面积石墨烯转移和石墨烯与金属接触稳定性的问题，研究者提出了一种微蚀刻技术和氧等离子体预处理方法。这些技术促进了小尺寸特征（互连宽度10微米，记录位点直径20微米）的Gr-ITO-TFNMEs的批量生产和高质量制造。

电极与GRIN透镜的集成：将Gr-ITO-TFNMEs集成到TINIscope系统中，通过将电极的“表盘”与透镜端面对齐，实现稳定的电生理记录和光学成像功能。

实验结果

电化学特性：Gr-ITO-TFNMEs在1 kHz时的电化学阻抗约为1.45 MΩ，适用于单单位记录。经过加速老化测试（在67°C的PBS中浸泡一周），Gr-ITO-TFNMEs显示出与金基柔性微电极（Au-FNMEs）相当的稳定性。

光学特性：Gr-ITO-TFNMEs的透光率在520纳米波长下超过80%，显著优于传统的金属电极。这种高透光率使得在记录神经电活动的同时，能够清晰地进行钙成像。

荧光微珠成像实验：通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中嵌入荧光微珠来模拟神经元，验证了Gr-ITO-TFNMEs对钙成像的影响。结果显示，Gr-ITO-TFNMEs对荧光成像的影响极小，能够清晰地成像通过记录位点和互连的微珠。

体内实验：在自由活动的小鼠海马CA1区植入集成Gr-ITO-TFNMEs的GRIN透镜，成功实现了电生理记录和钙成像的同步进行。实验中观察到局部场电位（LFP）功率谱密度与钙活动之间的相关性，相关系数达到0.5660。此外，Gr-ITO-TFNMEs还首次记录到了海马区单神经元尖峰活动，信噪比（SNR）高达16。

关键结论

新型微电极的优势：Gr-ITO-TFNMEs结合了石墨烯的透明性、柔韧性和ITO的生物相容性及优良导电性，能够实现高时空分辨率的多模态神经活动记录。

技术突破：通过微蚀刻技术和氧等离子体预处理，实现了小尺寸特征电极的批量生产和高质量制造，为神经科学研究提供了新的工具。

多模态记录的应用前景：这种新型微电极能够在自由活动的小鼠中同时记录电生理信号和钙信号，为研究大脑复杂动态提供了有力支持。未来的工作将致力于增加电极密度，以记录更广泛的神经活动，并结合行为测试来捕捉非线性神经动态。

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