通过一种灵活的多模接口实现了无伪迹（artifact-free）的共定位光电生理学研究，该接口结合了透明的MXene微电极和微LED（microLEDs）

《Biosensors and Bioelectronics》：Artifact-free, colocalized opto-electrophysiology enabled by a flexible, multimodal interface integrating transparent MXene microelectrodes and microLEDs

本研究开发了一种薄而灵活的神经接口，整合蓝色微发光二极管（μLED）和透明MXene微电皮质描记电极，实现了高空间和时间分辨率的同步光遗传刺激和电生理记录。通过优化材料和脉冲波形，有效抑制了电磁干扰和光电效应引起的干扰，解决了传统探针存在的空间错位问题，为双向神经回路研究提供了可靠平台。

　　

罗伊斯·董（Royce Dong）|陈宇章（Yuzhang Chen）|拉加夫·加格（Raghav Garg）|斯宾塞·R·阿弗贝克（Spencer R. Averbeck）|克里斯·吴（Chris Wun）|普拉西德·乌内格布（Placid Unegbu）|斯内哈·尚卡尔（Sneha Shankar）|希琳·艾哈迈德（Shereen Ahmad）|金敏（Jimin Jung）|穆罕默德·阿布·扎赫德（Md Abu Zahed）|张丹珍（Danzhen Zhang）|尤里·戈戈茨（Yury Gogotsi）|高野一（Hajime Takano）|布莱恩·利特（Brian Litt）|弗拉维亚·维塔莱（Flavia Vitale）

美国宾夕法尼亚大学生物工程系，宾夕法尼亚州费城

摘要

能够调节和记录神经活动的神经技术对于研究神经功能和疾病至关重要。结合微发光二极管（μLEDs）和透明微电极的光电探针可以实现高时空分辨率的光遗传刺激和电生理记录，但通常会受到刺激伪迹的影响。在这项工作中，我们提出了一种薄型、灵活且贴合皮肤的神经接口，将蓝色μLEDs（460纳米）与透明的Ti₃C₂T_x MXene微电皮层图谱（μECoG）电极集成在一起，以实现无串扰的光学刺激和电记录。透明的Ti₃C₂T_x μECoG电极在460纳米波长下的光透射率为54.9 ± 0.9%，在1千赫兹下的阻抗模数为291.9 ± 99.9千欧姆。μLEDs提供的功率高达86.1 ± 14.7毫瓦/平方毫米，且通过透明的Ti₃C₂T_x通道时对组织的加热效应极小，光学畸变可以忽略不计。我们系统地研究了刺激伪迹的机制，并提出了一种可广泛应用于多种模式神经接口材料和几何结构的方法框架。利用这一框架，我们证明Ti₃C₂T_x电极对光电伪迹的敏感性最低，而剩余的电磁干扰伪迹则通过瞬态μLED驱动脉冲整形得到了最小化，最终实现了无伪迹的共定位功能。这种新型多模式接口在急性小鼠模型中得到了验证，证明它是一个强大的平台，能够以高时空精度实现双向、无串扰的神经回路探测。

引言

理解和治疗神经系统疾病需要能够同时读取和调节神经回路的技术。结合光遗传刺激和电生理记录（光电生理学）的多模式接口已成为体内神经记录和刺激的强大工具（Boyden等人，2005年；Zhang等人，2009年；Emiliani等人，2015年；Anikeeva等人，2012年；Stark等人，2012年；Lu等人，2014年；Ahmed等人，2021年；Tian等人，2022年）。特别是，将微发光二极管（μLEDs）与微电极结合的光电探针能够以高时空精度实现对大规模（约10²-10³个神经元）神经元群体的细胞类型特异性控制（Ahmed等人，2021年；Tian等人，2022年；Wu等人，2015年）。然而，传统光电探针依赖于不透明的微电极，这会阻碍光的传递，并且需要将刺激部位和记录部位物理分离，从而无法精确实现光学输入和电信号输出的共定位（Huang等人，2024年；Ji等人，2020年，2018年；Kim等人，2020年；Wu等人，2015年）。

为克服这一限制，基于石墨烯（Driscoll等人，2021b年；Park等人，2021年；Qiang等人，2025年；Thunemann等人，2018年）、碳纳米管（Zhang等人，2018年）、导电聚合物（Cho等人，2022年；Ledochowitsch等人，2015年；Lee等人，2017年）、金属氧化物（Kwon等人，2013年；Lee等人，2015年）和纳米结构金属（Obaid等人，2020年；Quirion等人，2025年）等材料的技术已被用于多模式接口中，以实现空间一致的光学刺激和电记录。然而，由于紧凑的光电配置将记录元件与光学刺激器密集集成，各种材料制成的光电探针通常会经历显著的刺激伪迹（见表S3）。这些伪迹源于μLED电源线与附近记录线之间的电磁干扰（EMI），以及光照射到微电极材料上引起的光电效应（Fang等人，2020年；Kozai和Vazquez，2015年）。因此，这些伪迹最终会掩盖电记录中的神经信号（Kozai和Vazquez，2015年；Kwon等人，2013年；Park等人，2021年；Qiang等人，2025年）。在电源线和信号线之间添加导电屏蔽层可以防止EMI耦合，但不透明的屏蔽层会妨碍光学和电通道的共定位，并增加制造复杂性（Kim等人，2020年；Huang等人，2024年；Ji等人，2020年；Qiang等人，2025年）。另一种方法是通过对μLED驱动波形进行瞬态脉冲整形来最小化EMI引起的伪迹，但这无法防止本质上对光敏感的微电极材料中的光电效应（Kim等人，2020年；Wu等人，2015年）。尽管瞬态脉冲整形和透明微电极已经分别得到验证，但仍需要一种光电探针技术，既能抑制EMI，又能使用透明导电材料，以实现无伪迹、共定位的光电生理学记录。此外，还需要一种方法框架，能够根据伪迹的具体起源机制对其进行严格表征和减轻。

一种有前景的多模式接口材料是MXenes，这是一大类二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，其独特的光学、电子和化学性质在能源存储到传感等多个领域都有广泛应用（Driscoll等人，2021a年；Naguib等人，2014年、2012年、2011年；VahidMohammadi等人，2021年）。首次发现并研究最多的MXene是Ti₃C₂T_x，它具有高金属导电性（高达2.4 × 10⁴西门子/厘米^–1）（Zeraati等人，2021年）、大体积电容（高达15 × 10³法拉/厘米^–3）（Lukatskaya等人，2017年）以及良好的水溶性（Ali等人，2022年），使其成为生物电子接口的理想选择（Driscoll等人，2021a年，2018年；Ghidiu等人，2014年）。大量文献证明了单分子和嵌入的Ti₃C₂T_x MXene在细胞、组织、器官和系统层面的生物相容性（Boufidis等人，2025年；Chen等人，2020年；Dai等人，2017年；Driscoll等人，2018年；Garg和Vitale，2023年；Jastrz?bska等人，2017年；Lim等人，2021年；Ren等人，2024年；Wu等人，2020年）。即使在薄透明薄膜中，Ti₃C₂T_x也是最好的EMI屏蔽材料（Iqbal等人，2024年）。Ti₃C₂T_x已被用于替代有机LED中的氧化铟锡（ITO），使其变得柔韧并大幅提高了亮度（Zhou等人，2022年）。厚度小于50纳米的Ti₃C₂T_x薄膜在宽带可见光和近红外光照射下显示出极小的光电流，这归功于其低光学吸收率、高电荷载流子散射率和金属导电性（Hou等人，2022年；Khazaei等人，2017年；Vorobeva等人，2022年；Xiong等人，2022年）。利用这一优势，可植入的透明Ti₃C₂T_x微电极在自由空间蓝光照射下实现了高信噪比的神经记录，且几乎没有光电伪迹（Shankar等人，2024年）。

在本文中，我们展示了一种灵活的光电探针技术，将μLED阵列与透明的Ti₃C₂T_x MXene微电皮层图谱（μECoG）阵列集成在一起，实现了无伪迹的光遗传刺激和电生理记录。我们全面优化和表征了设备材料、制造和组装过程，以实现多模式功能。该光电探针阵列能够提供大面积、高强度的光照射，同时从相同的大脑位置以高时空分辨率记录高保真的电信号，并且几乎没有加热效应。该接口通过实施策略来减轻EMI和光电来源的刺激伪迹，从而实现了无伪迹的功能。重要的是，我们稳健的方法论方法能够识别、表征和抑制刺激伪迹，这些方法可以普遍应用于包含不透明或光敏微电极材料的光电探针。我们在体内啮齿动物模型中展示了这种多模式、无串扰的功能，证明了该光电探针是一个强大的平台，能够实现双向的神经回路探测。

部分摘要

理解和治疗神经系统疾病需要能够同时读取和调节神经回路的技术。结合光遗传刺激和电生理记录（光电生理学）的多模式接口已成为体内神经记录和刺激的强大工具（Boyden等人，2005年；Zhang等人，2009年；Emiliani等人，2015年；Anikeeva等人，2012年；Stark等人，2012年；Lu等人，2014年；Ahmed等人，2021年；Tian等人，2022年）。特别是，将微发光二极管（μLEDs）与微电极结合的光电探针能够以高时空精度实现对大量（约10²-10³个）神经元群体的细胞类型特异性控制（Ahmed等人，2021年；Tian等人，2022年；Wu等人，2015年）。然而，传统光电探针依赖于不透明的微电极，这会阻碍光的传递，并且需要将刺激部位和记录部位物理分离，从而无法实现光学输入和电信号输出的精确共定位（Huang等人，2024年；Ji等人，2020年，2018年；Kim等人，2020年；Wu等人，2015年）。

为了克服这一限制，基于石墨烯（Driscoll等人，2021b年；Park等人，2021年；Qiang等人，2025年；Thunemann等人，2018年）、碳纳米管（Zhang等人，2018年）、导电聚合物（Cho等人，2022年；Ledochowitsch等人，2015年；Lee等人，2017年）、金属氧化物（Kwon等人，2013年；Lee等人，2015年）和纳米结构金属（Obaid等人，2020年；Quirion等人，2025年）等材料的透明微电极技术已被用于多模式接口中，以实现空间上一致的光学刺激和电记录。然而，由于紧凑的光电配置将记录元件与光学刺激器密集集成，各种材料制成的光电探针通常会经历显著的刺激伪迹（表S3）。这些伪迹源于μLED电源线与附近记录线之间的电磁干扰（EMI），以及光照射到微电极材料上引起的光电效应（Fang等人，2020年；Kozai和Vazquez，2015年）。因此，这些伪迹最终会掩盖电记录中的神经信号（Kozai和Vazquez，2015年；Kwon等人，2013年；Park等人，2021年；Qiang等人，2025年）。在电源线和信号线之间添加导电屏蔽层可以防止EMI耦合，但不透明的屏蔽层会妨碍光学和电通道的共定位，并增加制造复杂性（Kim等人，2020年；Huang等人，2024年；Ji等人，2020年；Qiang等人，2025年）。另一种方法是通过对μLED驱动波形进行瞬态脉冲整形来最小化EMI引起的伪迹，但这无法防止本质上对光敏感的微电极材料中的光电效应（Kim等人，2020年；Wu等人，2015年）。尽管瞬态脉冲整形和透明微电极已经分别得到验证，但仍需要一种光电探针技术，既能抑制EMI，又能使用透明导电材料，以实现无伪迹、共定位的光电生理学记录。此外，还需要一种方法框架，能够根据伪迹的具体起源机制对其进行严格表征和减轻。

MXenes是一类有前景的多模式接口材料，它们是一大类二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，其独特的光学、电子和化学性质在能源存储到传感等多个领域都有广泛应用（Driscoll等人，2021a年；Naguib等人，2014年、2012年、2011年；VahidMohammadi等人，2021年）。首次发现和研究最多的MXene是Ti₃C₂T_x，它具有高金属导电性（高达2.4 × 10⁴西门子/厘米^–1）（Zeraati等人，2021年）、大体积电容（高达15 × 10³法拉/厘米^–3）（Lukatskaya等人，2017年）以及良好的水溶性（Ali等人，2022年），使其成为生物电子接口的理想选择（Driscoll等人，2021a年，2018年；Ghidiu等人，2014年）。大量文献证明了单分子和嵌入的Ti₃C₂T_x MXene在细胞、组织、器官和系统层面的生物相容性（Boufidis等人，2025年；Chen等人，2020年；Dai等人，2017年；Driscoll等人，2018年；Garg和Vitale，2023年；Jastrz?bska等人，2017年；Lim等人，2021年；Ren等人，2024年；Wu等人，2020年）。即使在薄透明薄膜中，Ti₃C₂T_x也是最好的EMI屏蔽材料（Iqbal等人，2024年）。Ti₃C₂T_x已被用于替代有机LED中的氧化铟锡（ITO），使其变得柔韧并大幅提高了亮度（Zhou等人，2022年）。Ti₃C₂T_x薄膜（< 50纳米厚度）在宽带可见光和近红外光照射下显示出极小的光电流，这归功于其低光学吸收率、高电荷载流子散射率和金属导电性（Hou等人，2022年；Khazaei等人，2017年；Vorobeva等人，2022年；Xiong等人，2022年）。利用这一优势，可植入的透明Ti₃C₂T_x微电极最近在自由空间蓝光照射下实现了高信噪比的神经记录，且几乎没有光电伪迹（Shankar等人，2024年）。

在本文中，我们展示了一种灵活的光电探针技术，将μLED阵列与透明的Ti₃C₂T_x MXene微电皮层图谱（μECoG）阵列集成在一起，实现了无伪迹的光遗传刺激和电生理记录。我们彻底优化和表征了设备材料、制造和组装过程，以实现多模式功能。该光电探针阵列能够提供大面积、高强度的光照射，同时几乎不产生加热效应，并从相同的大脑位置记录高保真的