《Advanced Science》：Multimodal Optical Imaging and Modulation with Simultaneous Electrophysiology Through Smart Dura in Non-Human Primates
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本文报道了一种名为“智能硬脑膜”（Smart Dura）的大型半透明多模态神经接口，其在非人灵?类（NHP）模型中成功整合了高密度电生理记录（Ephys）与多种光学技术，包括多光子成像（可达550 μm深度）、光学相干断层扫描血管成像（OCTA）、内源性信号光学成像（ISOI），以及光化学血栓性损伤（photothrombotic lesioning）和光遗传学（optogenetics）调控。该接口覆盖直径20 mm的皮质区域，为研究脑功能与功能障碍提供了前所未有的多尺度信息获取与干预能力，推动了面向人类应用的转化神经技术的发展。
2.1 适用于多模态应用的半透明智能硬脑膜
智能硬脑膜是一种基于透明、柔性PDMS和Parylene C双层基底的大型功能性人工硬脑膜。其拥有64个微电极，分布在直径20 mm的区域内，电极直径20 μm，连接导线宽度仅10 μm，不透明金属区域仅占总面积的2.81%。高空间分辨率透射率测量表明，即使在光线被金属导线遮挡最严重的位置，对于27 μm和167 μm直径的光斑，在400-1000 nm波长范围内的平均透射率仍分别可达70.22%和92.03%，证明了其优异的透光性。
2.2 通过智能硬脑膜进行多光子成像
研究通过双光子（920 nm激发）和三光子（1300 nm激发）显微镜，成功对智能硬脑膜下的荧光花粉颗粒和活体动物初级视觉皮层（V1）的血管系统进行了成像。双光子成像深度达200 μm，三光子成像深度可达550 μm。成像显示，50 μm宽的金属痕迹在浅层会造成明显阴影，但10 μm宽的痕迹在100 μm及更深深度对成像强度影响可忽略不计，甚至在300 μm深度也能清晰分辨出毛细血管。
2.3 光化学缺血性损伤及光学相干断层扫描血管成像结合智能硬脑膜的电记录与刺激
研究通过光化学血栓技术诱导V1局灶性缺血性脑卒中，并利用OCTA监测卒中前后血流变化。OCTA图像显示，光照区域中心血流显著减少，病灶直径约6.5 mm。同步电生理记录表明，卒中区域内电极的伽马波段（30-59 Hz）功率显著降低至近乎为0。进一步，在卒中后60分钟施加θ节律爆发电刺激（theta-burst stimulation），结果显示卒中周边区域的伽马功率呈现渐进性下降，这与之前研究中电刺激对脑卒中的神经保护作用一致。智能硬脑膜的高电极密度使得能够以更高的空间分辨率监测卒中诱导和电刺激引起的活动变化。
2.4 宽场内源性信号光学成像与同步大规模电生理记录
研究在麻醉动物V1区进行视觉刺激（色差和消色差漂移光栅），同时通过智能硬脑膜记录神经信号并进行宽场ISOI。电生理记录显示，视觉刺激期间高频伽马（HG, 60-150 Hz）功率显著增加。ISOI成功绘制了覆盖20 mm直径皮质区域的颜色功能图（显示颜色斑点）和眼优势图（显示眼优势柱），这些特征与猕猴V1的已知特性一致。分析显示，特定电极的HG功率变化与其附近像素的内源性信号反应在颜色偏好和眼优势方面具有一致性。在卒中诱导后，位于卒中区域内的电极及其附近像素对视觉刺激的HG功率和内源性信号反应均显著减弱，而远离卒中区域的反应则保持强健。
2.5 通过智能硬脑膜进行光遗传学神经调控
在一只表达抑制性光敏感蛋白Jaws的清醒动物后顶叶皮层（PPC）进行了实验。通过智能硬脑膜进行宽场荧光成像确认了opsin/GFP在两个独立区域的表达。随后，通过定制LED阵列传递红光刺激（634 nm）。记录结果显示，在opsin表达区域，光刺激期间宽带局部场电位（LFP, 1-150 Hz）功率显著增加，而在opsin缺陷区域则无此变化。时频分析表明，opsin表达区域在1-60 Hz频带功率增加。这种区域特异性的LFP功率变化证实了智能硬脑膜结合光遗传学进行神经活动调制和记录的能力。
3 讨论
智能硬脑膜作为一个独特的多模态神经接口，成功地将高分辨率电生理、电刺激与皮质光学访问相结合。其半透明特性和微型化电极/导线设计，使其与多种光学技术（OCTA、ISOI、多光子成像）以及光学干预手段（光遗传学、光血栓）具有良好的兼容性。该平台能够桥接局部细胞活动与大规模环路动力学，为在非人灵长类中多尺度研究脑功能以及开发神经疾病新型治疗策略提供了强大工具。未来的技术改进可能包括进一步缩小不透明特征尺寸或使用透明导电材料，以增强光学透明度并提高电极密度。
4 实验部分
实验在两只雄性猕猴（Macaca nemestrina 和 Macaca mulatta）上进行，分别用于麻醉状态和清醒状态实验。智能硬脑膜包含64个Pt/Au/Pt堆叠微电极，并电镀PEDOT:PSS以降低阻抗。电生理信号使用Ripple Neuro系统记录。多光子成像使用Sutter Instruments显微镜。光血栓损伤使用玫瑰红染料（Rose Bengal）和局部白光照射诱导。OCTA使用定制扫频源OCT系统。视觉刺激使用色差和消色差光栅。ISOI使用625 nm波长LED照明和sCMOS相机。光遗传学实验使用表达Jaws的腺相关病毒（rAAV8-hSyn-Jaws-KGC-GFP-ER2）并通过定制LED阵列传递634 nm光刺激。数据处理和分析使用MATLAB和ImageJ等软件完成。
