基于PEDOT:PSS的透明無金屬神經(jīng)電極陣列助力雙光子無偽影神經(jīng)成像

該研究由Hyun WooKim、Jiwon Kim、Jong Youl Kim等共同完成，論文題為《Transparent, metal-free PEDOT:PSS neural interfaces for simultaneous recording of low-noise electrophysiology and artifact-free two-photon imaging》，于2025年4月在線發(fā)表于《Nature Communications》。

重要發(fā)現(xiàn)
01全透明神經(jīng)接口的誕生
傳統(tǒng)神經(jīng)接口中，金屬電極會反射光線導(dǎo)致成像干擾，且激光照射易產(chǎn)生光電偽影，而現(xiàn)有透明接口常因連接線不透明或電極尺寸過大（超200μm）影響成像清晰度和信號分辨率。研究團(tuán)隊(duì)通過FPE處理技術(shù)，將PEDOT:PSS這一導(dǎo)電聚合物轉(zhuǎn)化為性能優(yōu)異的全透明神經(jīng)電極材料——不僅電極位點(diǎn)透明，連接線也完全透明，解決了“透明與導(dǎo)電不可兼得”的難題。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員將該陣列植入小鼠大腦，在100μm深度的z-stack成像中，無需移除電極即可清晰捕捉腦內(nèi)血管和毛細(xì)血管的細(xì)節(jié)，而傳統(tǒng)鉑黑電極會導(dǎo)致圖像扭曲，甚至遮擋深層結(jié)構(gòu)。這種高透明度讓研究人員首次實(shí)現(xiàn)了“電極在位”狀態(tài)下的無死角成像，為同時觀察神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能打開了窗口。

體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過注射毛果蕓香堿誘導(dǎo)小鼠癲癇，該陣列同時記錄到了異常的神經(jīng)spike活動（低至6.6-6.8μV的噪聲水平）和雙光子成像下的神經(jīng)元形態(tài)變化。對比實(shí)驗(yàn)顯示，傳統(tǒng)ITO電極因高噪聲（27-28μV）無法捕捉spike，而石墨烯電極的噪聲也高于該陣列，證明其在同步記錄與成像中的獨(dú)特優(yōu)勢。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破“透明與導(dǎo)電”的矛盾
過去，透明神經(jīng)接口面臨一個核心難題：材料的光學(xué)透明度與電化學(xué)性能難以兼顧。石墨烯、碳納米管等透明材料雖能透光，但需用不透明連接線；若追求全透明，電極尺寸需超過200μm才能降低阻抗，卻導(dǎo)致空間分辨率下降（無法區(qū)分單個神經(jīng)元信號）。

FPE處理技術(shù)打破了這一僵局：甲酰胺削弱PEDOT與PSS的離子鍵，磷酸去除絕緣的PSS外殼，乙二醇減少PEDOT鏈間的π-π堆疊距離，三者協(xié)同將PEDOT:PSS的電導(dǎo)率提升至3.4×10³S/cm。這使得20×20μm²的微小電極仍能保持45.8kΩ的低阻抗，既滿足高空間分辨率（捕捉單個神經(jīng)元活動），又保持全透明（包括連接線），實(shí)現(xiàn)了“魚與熊掌兼得”。

這種低毒性和低免疫原性使其有望用于慢性植入，為長期監(jiān)測神經(jīng)疾�。ㄈ绨d癇、阿爾茨海默�。┑倪M(jìn)展提供了可能。

此外，其制備成本遠(yuǎn)低于石墨烯和ITO（無需復(fù)雜真空設(shè)備），且可批量生產(chǎn)，為大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

總結(jié)與展望
該研究開發(fā)的全透明無金屬PEDOT:PSS神經(jīng)陣列，通過FPE處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高透明度、低阻抗與高生物相容性的統(tǒng)一，首次在微小電極尺寸下同時支持無偽影雙光子成像和低噪聲電生理記錄。它解決了傳統(tǒng)神經(jīng)接口的核心痛點(diǎn)，為解析神經(jīng)回路、研究腦疾病機(jī)制提供了“結(jié)構(gòu)-功能”同步觀測的工具。未來，隨著材料穩(wěn)定性的進(jìn)一步優(yōu)化（如長期植入后的性能衰減），該技術(shù)有望拓展至臨床診斷（如實(shí)時監(jiān)測腦手術(shù)中的神經(jīng)功能）、神經(jīng)工程（如柔性腦機(jī)接口）等領(lǐng)域，推動腦科學(xué)研究與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的跨越式發(fā)展。

Kim HW, Kim J, Kim JY, Kim K, Lee JY, Kim T, Cho S, An JB, Kim HJ, Sun L, Lee S, Fukuda K, Someya T, Sang M, Cho YU, Lee JE, Yu KJ. Transparent, metal-free PEDOT:PSS neural interfaces for simultaneous recording of low-noise electrophysiology and artifact-free two-photon imaging. Nat Commun. 2025 Apr 29;16(1):4032.

DOI:10.1038/s41467-025-59303-2.