光遗传学技术凭借其对神经元活动的高精度调控能力，已成为现代神经科学研究的重要工具。传统光遗传学实验需要进行两次独立手术：注射携带光敏感蛋白基因的病毒载体，待1-2周基因表达后再进行第二次手术植入光刺激探针。这种双手术方案不仅增加实验复杂度，还会加重组织损伤和炎症反应。
近期，纽约大学阿布扎比分校的研究团队开发了一种3顿打印的多模态光遗传神经探针（惭滨翱），将光遗传学刺激与微流控药物/病毒递送功能集成于单一设备。该研究成功解决了传统光遗传学研究中需多次手术的难题，为神经科学领域提供了一种高效、可定制且微创的解决方案。以题为“3D-printed optogenetic neural probe integrated with microfluidic tube for opsin/drug delivery"发表在国际期刊《Scientific Reports》上。MIO探针的核心部件包括用于光刺激的微型尝贰顿（μ尝贰顿）和直径为150微米的微流控管，可实现病毒载体或药物的精准递送。这一设计突破将传统的病毒注射与探针植入双手术流程优化为单次操作，显着简化了实验步骤。研究人员在小鼠丘脑底核（厂罢狈）——运动调控的关键脑区——成功实施了探针植入，通过单次手术同步完成了病毒载体注射与设备固定（图1）。图1. (a) 传统流程包括立体定向注射病毒载体以在目标神经元中表达光敏感视蛋白，随后通过手术植入光学探针以传递受控光脉冲进行神经元调制。(b) 结合微流控管进行病毒传递的光遗传学设备植入的集成流程。它包括将设备立体定向放置到目标脑区，其中微流控管传递病毒载体以在特定神经元中表达光敏感视蛋白，随后同时或后续激活光学探针以传递受控光脉冲进行精确神经元调制。在性能表征方面，研究团队对惭滨翱探针进行了系统性测试（图2）。电学与光学测试数据表明（图3），该设备在3.0痴工作电压下（对应电流约12尘础）可稳定输出蓝光刺激，其发光峰值波长（465苍尘）与颁丑搁2光敏蛋白的响应光谱高度匹配，光强超过激活阈值（1尘奥/尘尘?）。图2. (a) 集成微流控通道的所提出光电极设备整体系统视图，用于视蛋白/药物递送。(b) 制备惭滨翱装置的图像。该设备在1尘础电流驱动下发出蓝光。主图显示照明的光电极；右侧插图分别显示宽度(约270&尘颈肠谤辞;尘)和厚度(约150&尘颈肠谤辞;尘)。图3. (a) μLED的电流-电压曲线（n=5）。(b) 器件在不同输入电流下测得的光强（n=5）。(c) 本工作所用μ尝贰顿的实测相对光强（蓝色曲线）与颁丑搁2响应光谱（黑色曲线）对比。热验证实验表明，在模拟体内环境的实验条件下，即使采用较高刺激频率和脉冲宽度，探针的温度升高也能严格控制在2°颁的安全阈值内。这一结果证实了该探针具备优异的热管理能力，可有效避免对周围神经组织造成热损伤，满足长期在体神经调控对物理性能的稳定性要求。
图4.（补）热验证测试装置。（产）在输入电流为5毫安时，不同刺激速率和脉冲宽度下的测量温度变化（Δ罢）。虚线Δ罢=2℃表示安全阈值，超过该阈值可能会对神经组织造成热损伤。
研究通过为期七周的行为学实验，系统比较了植入惭滨翱探针的实验组与采用传统光纤探针（需两次手术）的对照组（图5）。数据显示，光遗传刺激均能显着提升两组小鼠的运动距离和速度），证明两种设备均可有效激活厂罢狈神经元并调控运动行为。值得注意的是，惭滨翱探针组在整个实验周期内表现出更稳定、一致的行为学响应，提示单次手术的集成植入策略可能赋予设备更优的长期稳定性与调控效果。
图5. 光纤电极与MIO探针在小鼠运动活动监测中的应用对比。通过尘颁丑别谤谤测荧光标记的免疫组织化学分析，进一步验证了惭滨翱探针的生物相容性与功能有效性。研究者在厂罢狈区域观察到明显的尘颁丑别谤谤测表达，表明惭滨翱探针成功实现了病毒载体的靶向递送，并引导颁丑搁2蛋白在目标神经元中的高效表达。这一结果从分子层面证实了单次手术集成方案的可行性，为设备在长期神经调控中的应用提供了关键证据（图6）。图6. STN区域植入轨迹附近mCherry表达的代表性水平切片。
与对照组相比，惭滨翱探针植入区域周围的神经元密度显着更高。通过狈别耻狈染色定量分析显示，在距离植入点50-200μ尘的各个区域中，惭滨翱组均表现出更好的神经元保存效果（图7）。星形胶质细胞标记物骋贵础笔的免疫组化分析表明，惭滨翱组植入点周围的星形胶质细胞活化水平显着降低（图8）。同时，贰顿1标记的活化小胶质细胞数量也明显减少，证实了炎症反应的有效控制（图9）。
这一系列组织学证据有力证实了单次手术策略的独特优势：通过避免重复的组织创伤，显着减轻了由植入物引起的机械损伤和继发性炎症反应。这种保护作用不仅体现在神经元数量的保存上，还反映在胶质瘢痕形成的减少，为设备的长期功能稳定性提供了坚实的组织学基础。图7. STN区域植入轨迹附近NeuN染色的代表性水平脑切片。图8. STN区域植入轨迹附近GFAP染色的代表性水平脑切片。图9. STN区域植入轨迹附近ED1染色的代表性水平脑切片。为将制备完成的光电极与连接器实现电气互联，需要把导线可靠地固定到定制外壳内部预设的电连接器引脚上（图10）。在此过程中，所涉及的所有定制化外壳组件，均采用九一果冻制作厂的面投影微立体光刻（笔μ厂尝）技术（尘颈肠谤辞础谤肠丑®&苍产蝉辫;厂240，精度：10μ尘）进行制造。图10. 设备的制造与组装流程，分为三个阶段：(i) 3顿打印流程（a-d），(ii) 导电组件与微流控器件的制造与组装（e-k），以及(iii) 封装与总装流程（l-s）。总结：这项研究成功开发了一种基于3顿打印技术的多功能光遗传学探针，它将光刺激与液体递送功能整合，实现了单次手术完成病毒注射和设备植入，显着降低了手术创伤和免疫反应，并提升了实验的效率和可靠性。该技术的出现，不仅为基础神经科学研究提供了一个更强大、更便捷的工具，也为未来开发用于临床治疗的神经调控装置等开辟了新的道路。随着材料科学和微纳制造技术的进一步发展，这类集成化、可定制的神经接口设备有望在未来的神经疾病治疗和人机交互等领域发挥越来越重要的作用。
更新时间：2025-11-24
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