Programmable dendrite-inspired organic electrodes for neuronal interfacing

大脑是一个由活细胞组成的柔软、潮湿且不断变化的景观，而我们用来聆听它的设备通常是坚硬、平坦且僵硬的。几十年来，科学家们一直试图弥合这一差距，将坚硬的金属或硅传感器连接到脆弱的神经组织上。问题在于，这两个世界并不契合。坚硬的设备会挤压柔软的组织，导致身体产生反应，形成疤痕组织以隔离传感器，就像皮肤下的刺一样。这种屏障会随着时间的推移削弱信号，使得很难清晰地听到神经元微弱的电信号“低语”。为了解决这个问题，研究人员转向了可以随大脑移动的柔软类塑料材料，但即使是这些柔软材料通常也保持平坦，在传感器与细胞膜之间留下了一个微小的空隙。这个间隙充当了障碍，模糊了连接。现代神经技术的目标是创造一种不仅是坐在神经元之上，而是能真正“拥抱”它的传感器，形成一种紧密、无缝的结合，从而实现清晰的通信，而不触发身体的防御机制。

德国尤利希研究中心（Jülich Research Centre）与意大利理工学院（Italian Institute of Technology）的一组研究人员通过创造一种模仿神经元自身分支结构的全新电极，在实现这一目标方面迈出了重要一步。他们没有使用平面，而是直接在传感器上生长出由导电聚合物制成的微小树状纤维。这些纤维看起来像树枝或神经细胞的延伸，旨在被其旨在测量的神经元触摸并包裹。通过在生长过程中精确控制电学条件，科学家们可以编程控制这些纤维的大小、形状和复杂性，将一个简单的平坦垫片转变为一个三维的分支结构，从而引导细胞靠近。

研究人员使用一种称为电沉积（electrodeposition）的过程来生长这些结构，即向含有聚合物构建模块的溶液中施加特定的电脉冲。通过调节电压、脉冲速度和生长持续时间，他们可以决定纤维的形成方式。他们创建了三种不同类型的表面进行测试：一种是二维平涂层；一种带有短而粗的纤维；以及一种带有长而复杂的分支纤维的版本。这些结构旨在模拟神经元生长的不同阶段，从简单的细胞体到发育完全的分支网络。团队发现，只需改变电学设置，他们就能可靠地在这些不同的形状之间切换，证明了电极的物理形态可以像计算机代码一样被编程。

当这些新型电极与来自大鼠的活脑细胞接触时，细胞与表面相互作用的方式表现出了显著差异。在平坦电极上，细胞坐落在上方，但在细胞膜与传感器之间仍存在明显的间隙。然而，在覆盖有纤维的电极上，细胞的表现则不同。神经元发出了它们自己的微小延伸，即突起（neurites），这些突起向外延伸并紧紧包裹住人工纤维。在某些情况下，细胞膜甚至向内折叠，紧紧贴合纤维，使得细胞与传感器之间的空间几乎消失。这种“紧紧拥抱”在短而粗的纤维上最为有效，因为细胞膜可以完全顺应结构的形状。在较长且更精细的分支上，虽然仍存在包裹现象，但随着纤维向尖端变细，包裹变得不再那么紧密，这表明分支的物理厚度对于细胞如何“抓握”至ц重要。

这种物理上的接近直接转化为更好的电学性能。研究人员记录了数周内脑细胞的电活动，发现生长在短纤维电极上的网络比在平坦或长纤维表面上的网络更为活跃。短纤维上的细胞放电频率更高，并将信号汇集成更强的活动爆发。这表明，短纤维提供的紧密物理接触有助于细胞更有效地与设备进行通信。相比之下，长纤维并没有提升多少活动度，这可能是因为细胞无法像紧紧抓住较粗的基部那样，牢固地包裹住纤细遥远的尖端。研究还表明，这些新结构并未破坏脑组织的整体组织结构；细胞既没有聚集在一起，也没有改变其总体布局，但它们确实在触碰纤维的地方显示出形成了更专门的连接点（即突触）的迹象。

或许最令人惊叹的是，这些覆盖有纤维的电极让研究人员能够完成通常使用标准传感器无法完成的任务：他们可以短暂地窥视细胞内部。利用聚焦激光束，团队在细胞膜与纤维接触的位置处制造了一个微小的临时孔洞。这种技术被称为光孔穿孔术（optoporation），它允许电极记录来自细胞内部的电信号，而这项任务通常保留给侵入性更强的方法。内部信号的质量取决于激光击中纤维的位置：信号在分支基部最清晰，因为那里细胞包裹得最紧；而向尖端移动时，信号则变得较弱。这证实了细胞与电极之间的连接强度是由纤维的局部形状决定的。

这项工作证明了神经传感器的物理形状与它所使用的材料同样重要。通过生长出看起来、感觉起来都像其旨在交互的神经元的电极，研究人员创建了一个鼓励细胞自然整合的平台，减少了通常阻碍通信的间隙。虽然该技术仍需进一步改进以最大化信号清晰度，但该研究确立了：编程有机电极的物理架构是控制生物大脑与人工设备连接的一种强大方式。这种方法超越了仅仅使传感器变得更软或更小的范畴；它改变了界面的几何结构，使设备成为其旨在读取的生物结构的一部分。