腦是對(duì)血氧含量最敏感的器官，腦組織中的氧含量直接影響大腦代謝和功能完整性。氧代謝異常也與顱腦創(chuàng)傷、缺血缺氧性腦病、癲癇、腫瘤等引起的神經(jīng)系統(tǒng)病損密切相關(guān)，特別是在癲癇發(fā)作的過(guò)程中，除了電生理的劇烈波動(dòng)，也會(huì)同時(shí)伴隨氧代謝的紊亂，觀察并分析癲癇患者腦內(nèi)的氧代謝規(guī)律對(duì)改進(jìn)癲癇的臨床診療有著重要意義。與近紅外光譜、功能磁共振等技術(shù)所獲得的血氧信息相比，組織氧分壓與局部神經(jīng)活動(dòng)和代謝過(guò)程有著更加密切的聯(lián)系。如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、便捷、原位地監(jiān)測(cè)腦組織氧分壓，并解析其與神經(jīng)活動(dòng)的相互作用關(guān)系，也是腦科學(xué)基礎(chǔ)研究和腦疾病臨床診療中的關(guān)鍵問(wèn)題。近日，為了拓寬癲癇診療和癲癇腦網(wǎng)絡(luò)研究中的模態(tài)選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)癲癇患者大腦氧代謝的持續(xù)監(jiān)測(cè)，宣武醫(yī)院神經(jīng)外科趙國(guó)光教授課題組聯(lián)合清華大學(xué)電子工程系盛興課題組、北京理工大學(xué)光電學(xué)院丁賀課題組開(kāi)發(fā)了一種植入式微型光電探針，可在自由活動(dòng)的動(dòng)物深層腦組織中實(shí)現(xiàn)無(wú)線、連續(xù)、實(shí)時(shí)的腦組織氧分壓監(jiān)測(cè)。

圖1 腦組織氧分壓檢測(cè)探針工作示意圖

本工作通過(guò)設(shè)計(jì)制備微型薄膜式發(fā)光二極管（LED）和光電探測(cè)器，結(jié)合氧氣敏感的磷光涂層，實(shí)現(xiàn)高度集成的微型植入式光電探針，利用氧氣對(duì)鉑系金屬配合物的磷光猝滅作用實(shí)現(xiàn)氧分壓檢測(cè)。此外，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了微型柔性電路用于無(wú)線能量與信號(hào)傳輸，配2024-02-04合氧分壓檢測(cè)探針，實(shí)現(xiàn)全植入式的光電氧分壓傳感系統(tǒng)。

圖2 無(wú)線電路設(shè)計(jì)

在體外表征測(cè)試中，該氧分壓檢測(cè)探針測(cè)得的磷光信號(hào)光強(qiáng)隨氧分壓的增加而減小，探針響應(yīng)時(shí)間小于1秒，并且具有高度的氧氣選擇性。以嚙齒類(lèi)動(dòng)物（小鼠等）為模型，通過(guò)微創(chuàng)方式植入動(dòng)物腦部，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物深部腦區(qū)的氧分壓無(wú)線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在改變吸入氧濃度、頸動(dòng)脈短時(shí)程夾閉、麻醉等情況下探究腦組織氧分壓的變化規(guī)律。此外，在電刺激小鼠海馬腦區(qū)誘導(dǎo)癲癇的模型中，測(cè)得了癲癇放電之后海馬、皮層等不同腦區(qū)顯著的乏氧狀態(tài)與氧分壓波動(dòng)；與電生理記錄結(jié)合，同步監(jiān)測(cè)癲癇過(guò)程中的神經(jīng)電活動(dòng)與局部組織氧分壓變化， 探索了氧在神經(jīng)異常活動(dòng)過(guò)程中的作用與機(jī)理，以及局部神經(jīng)活動(dòng)與氧代謝的耦合規(guī)律。這種無(wú)線、實(shí)時(shí)、原位、精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)腦組織氧分壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，為深入探索氧代謝過(guò)程與神經(jīng)活動(dòng)以及腦疾病狀態(tài)的關(guān)系提供了有效的工具。

圖3 無(wú)線氧分壓檢測(cè)系統(tǒng)在改變吸入氧、頸動(dòng)脈結(jié)扎等狀態(tài)下測(cè)試動(dòng)物腦組織氧含量變化

圖4 無(wú)線氧分壓檢測(cè)系統(tǒng)在小鼠癲癇放電狀態(tài)下檢測(cè)海馬區(qū)的氧含量動(dòng)態(tài)變化

該研究成果近日發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics），題為《一種用于監(jiān)測(cè)深層腦組織氧含量的無(wú)線光電探針》（A Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue）。我科趙國(guó)光教授與清華大學(xué)電子系、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院的盛興教授、北京理工大學(xué)丁賀教授為共同通訊作者；共同第一作者為清華大學(xué)電子系博士生蔡雪，宣武醫(yī)院神經(jīng)外科魏鵬虎副教授和博士生劉全磊。其余合作者來(lái)自北京理工大學(xué)、中央民族大學(xué)等單位。該研究獲得了北京市自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y

趙國(guó)光，主任醫(yī)師、二級(jí)教授、北京學(xué)者、博士研究生導(dǎo)師。現(xiàn)任首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院院長(zhǎng)、國(guó)家神經(jīng)疾病醫(yī)學(xué)中心主任、國(guó)家衛(wèi)健委腦損傷評(píng)價(jià)與質(zhì)控中心主任、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院神經(jīng)外科立體定向與功能性腦病中心主任。

趙國(guó)光教授長(zhǎng)期從事功能性腦疾病的診療與轉(zhuǎn)化研究。以通訊作者身份在Lancet Public Health、Nat. Commun.、Alzheimers. Dement.、Sci. Bull.、Mol. Psychiatry 等專(zhuān)業(yè)期刊發(fā)表論文80余篇。主持“科技創(chuàng)新2030--腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目及其他國(guó)家級(jí)重點(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃4項(xiàng)。以第一完成人身份獲得中華醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、北京市高等學(xué)校教學(xué)名師、首屆腦機(jī)接口大會(huì)“卓越學(xué)者獎(jiǎng)”等重要獎(jiǎng)項(xiàng)。

魏鵬虎，神經(jīng)外科副教授，碩士研究生導(dǎo)師，國(guó)家神經(jīng)疾病醫(yī)學(xué)中心科研轉(zhuǎn)化部副主任，首都醫(yī)科大學(xué)癲癇臨床診療與研究中心常委兼秘書(shū)，中國(guó)抗癲癇協(xié)會(huì)立體定向腦電圖與腦定位學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)秘書(shū)、中國(guó)抗癲癇協(xié)會(huì)青年委員、北京醫(yī)學(xué)會(huì)神外分會(huì)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)組委員、“Seizure”、“Frontiers of Neurology”審稿專(zhuān)家，為國(guó)家神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人專(zhuān)家指導(dǎo)委員會(huì)成員，2018年曾隨腦機(jī)接口提出者、杜克大學(xué)Miguel A. Nicolelis教授研習(xí)“腦機(jī)接口與腦網(wǎng)絡(luò)”，入選市“青苗”人才、北京市屬高校教師隊(duì)伍優(yōu)秀青年人才。主持國(guó)自然、北京市自然重點(diǎn)等項(xiàng)目，在Nature Photonics, Nature communications, Science bulletin, Ebiomedicine, NeuroImage等雜志發(fā)表英文論文20余篇，其中，單篇最高IF 35.0分。

擅長(zhǎng)藥物難治性癲癇的診療與神經(jīng)調(diào)控，癲癇網(wǎng)絡(luò)的定量化定位分析、癲癇網(wǎng)絡(luò)的多模態(tài)評(píng)估、癲癇連接組學(xué)的臨床應(yīng)用。

劉全磊，宣武醫(yī)院神經(jīng)外科博士研究生，主要研究方向?yàn)樯窠?jīng)免疫在致癇性環(huán)路形成的機(jī)制、癲癇神經(jīng)調(diào)控新靶點(diǎn)的探索。