在腦科學(xué)與神經(jīng)工程飛速發(fā)展的今天，如何精準(zhǔn)地讀取并寫入大腦的神秘密碼，一直是科學(xué)家們夜以繼日攻克的難題。傳統(tǒng)的金屬或硅基神經(jīng)電極雖然堅(jiān)固，但材質(zhì)過(guò)硬，長(zhǎng)期植入極易引發(fā)腦部炎癥；而新興的柔性電極雖解決了生物相容性問(wèn)題，其繁瑣的微納加工工藝卻讓無(wú)數(shù)研究團(tuán)隊(duì)望而卻步。

近日，國(guó)際期刊《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發(fā)表了由紐約大學(xué)阿布扎比分校、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院及韓國(guó)加圖立大學(xué)等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成的一項(xiàng)突破性成果，題為“A 3D-Printing-Based Optogenetic Neural Stimulator Integrated with Three Neural Recording Channels"。該研究展示了一種基于3D打印技術(shù)的光遺傳神經(jīng)刺激器。這款僅有數(shù)百微米寬的微型探針，不僅集成了光學(xué)刺激與三通道神經(jīng)信號(hào)記錄功能，更改變了傳統(tǒng)腦機(jī)接口器件的制造流程，為神經(jīng)科學(xué)研究提供了便捷與高效。

此次研發(fā)的3D打印光遺傳神經(jīng)刺激器，改變傳統(tǒng)制造邏輯，以3D打印技術(shù)為核心，制造出集單LED光刺激 + 三通道神經(jīng)記錄于一體的微型化、輕量化、高集成度設(shè)備，兼具低成本、易定制、生物相容性好等多重優(yōu)勢(shì)，解決傳統(tǒng)設(shè)備的核心痛點(diǎn)。該刺激器整體尺寸僅為310 μm寬、165 μm厚，探針露出長(zhǎng)度6 mm，體積遠(yuǎn)小于一枚硬幣，其微型化設(shè)計(jì)可顯著降低植入過(guò)程中對(duì)腦組織的機(jī)械損傷。其核心結(jié)構(gòu)分為兩層，分別負(fù)責(zé)LED安裝連接與記錄通道集成，兩層通過(guò)3D打印的定位孔與溝槽精準(zhǔn)對(duì)齊組裝，無(wú)需復(fù)雜微加工，大幅簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程。其中刺激器的外殼部分是由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch® S240，精度：10 μm）打印而成。

為了全面評(píng)估3D打印探針的實(shí)際性能，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行了一系列嚴(yán)苛的體外與體內(nèi)驗(yàn)證。電化學(xué)阻抗譜測(cè)試表明，其三通道記錄電極在生理鹽水中表現(xiàn)出了優(yōu)異且穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，解決微弱神經(jīng)信號(hào)的采集需求。光學(xué)測(cè)試則顯示，盡管LED體積微小，但其發(fā)出的470納米藍(lán)光強(qiáng)度遠(yuǎn)超激活神經(jīng)元所需的閾值，且光斑高度集中，能夠?qū)崿F(xiàn)單皮層柱級(jí)別的精準(zhǔn)刺激。

安全性同樣是腦內(nèi)植入設(shè)備不可忽視的紅線。大腦組織極為脆弱，局部溫度升高超過(guò)2℃便可能造成不可逆的細(xì)胞損傷。為此，研究人員專門模擬了活體環(huán)境，將探針置于仿腦組織凝膠中，在不同電流與脈沖寬度下嚴(yán)密監(jiān)測(cè)其發(fā)熱情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終劃定了安全的刺激參數(shù)范圍，證實(shí)了該器件在熱學(xué)層面的絕對(duì)安全。

圖4. (a) 3D打印部件的納米壓痕測(cè)量結(jié)果（n = 6，誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)差）。(b) 裝入0.6%瓊脂糖凝膠后在發(fā)光過(guò)程中的插入測(cè)試。比例尺為600 µm 。(c) 熱性能測(cè)量裝置的整體示意圖。(d) 設(shè)備插入瓊脂糖凝膠后，在不同LED電流、刺激脈沖寬度和刺激脈沖頻率條件下發(fā)光時(shí)的溫度變化曲線。

最終，研究人員將這根比頭發(fā)絲還要纖細(xì)的探針成功植入小鼠的大腦，當(dāng)微弱的電流驅(qū)動(dòng)LED發(fā)出藍(lán)光時(shí)，深埋在腦組織中的三根記錄電極同步捕捉到了清晰的神經(jīng)元放電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)不僅證明了該設(shè)備具備出色的機(jī)械強(qiáng)度，能夠無(wú)損穿透腦膜，更是利用3D打印技術(shù)，在同一微小位點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了“刺激-讀取"的完整閉環(huán)。

圖5. (a) 小鼠大腦體內(nèi)探針植入的手術(shù)操作流程。(b) 無(wú)刺激時(shí)（上圖）與LED驅(qū)動(dòng)光遺傳學(xué)刺激期間（下圖）的原始神經(jīng)記錄數(shù)據(jù)。(c) 分選后的單個(gè)神經(jīng)脈沖疊加圖。(d) 記錄數(shù)據(jù)的刺激前后時(shí)間直方圖（PSTH ，實(shí)線：平均值；陰影區(qū)域：均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤[SEM]）。(e) 刺激關(guān)閉與刺激開(kāi)啟條件下的平均放電頻率比較（***p < 0.001，雙側(cè)非配對(duì)Student t檢驗(yàn)，n = 1,8次試驗(yàn)）。

實(shí)驗(yàn)室到臨床，這款3D打印光遺傳神經(jīng)刺激器的價(jià)值遠(yuǎn)超技術(shù)突破本身。在科研領(lǐng)域，它無(wú)需復(fù)雜微加工設(shè)備，普通實(shí)驗(yàn)室即可快速定制制備，大幅降低光遺傳研究門檻，助力科研人員高效解析神經(jīng)環(huán)路機(jī)制、探索疾病發(fā)病機(jī)理。在臨床轉(zhuǎn)化層面，其微創(chuàng)、可定制、生物相容的特性，適配不同患者的腦部結(jié)構(gòu)差異，為帕金森、抑郁癥、癲癇等疾病的精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控治療提供全新方案。