Nat. Mater.:混合离子-电子导电聚合物实现电化学神经元

摘要

摘要图
本研究设计了一种基于混合离子-电子导电聚合物的新型有机电化学神经元(c-OECN),通过离子可调反双极特性模拟生物神经元中钠离子和钾离子通道的激活和失活过程。该神经元能够实现接近100 Hz的生物真实尖峰频率,并支持神经递质、氨基酸及离子驱动的尖峰调制。此外,c-OECN可与生物神经系统整合,在小鼠体内实现对迷走神经的刺激,展示了其在神经形态硬件和生物医学应用中的潜力。

关键词

  • 反双极性 (Antiambipolarity)
  • 有机电化学神经元 (Organic Electrochemical Neuron, c-OECN)
  • 混合导电聚合物 (Mixed Ion–Electron Conducting Polymers)
  • 离子调控 (Ion Tuning)
  • 神经形态传感 (Neuromorphic Sensing)
  • 生物整合 (Biointegration)
  • 生物信号调制 (Biochemical Signal Modulation)

研究背景

生物神经元依赖膜电位尖峰进行信息传递,这种过程由细胞膜内的离子通道(如钠通道和钾通道)动态控制。传统的人工神经元通常基于硅基电路,尽管可以模拟部分神经功能,但其制造复杂且缺乏生物兼容性和离子/化学信号调控能力。有机电化学晶体管(OECT)因其低工作电压、生物相容性和高离子灵敏度,为构建类似生物的电化学神经元提供了可能性。本研究利用反双极行为实现了生物真实的尖峰动态,并首次将其应用于生物体内的神经刺激。

创新点

  • 开发了基于反双极特性的离子调控机制,模拟了钠通道的激活和失活特性。
  • 实现了接近100 Hz的生物真实尖峰频率和多种神经行为的模拟。
  • 展示了通过离子、神经递质和氨基酸调控尖峰行为的能力。
  • 成功将c-OECN与小鼠迷走神经整合,用于心率调节。

研究内容

本研究利用含刚性梯形结构的聚合物(BBL)构建了具有反双极特性的OECT,用于模拟生物神经元中的钠钾离子通道动态。实验表明,通过调节电路中的膜电容和通道阻值,可以实现从5 Hz到100 Hz的尖峰频率。通过外加钙离子、神经递质和氨基酸等生物分子,进一步调节了尖峰行为的模式。研究还验证了c-OECN在体内生物信号感知和神经刺激的可行性,例如通过调节钠离子浓度实现对小鼠迷走神经的控制,从而降低心率。这一整合展示了c-OECN在生物医学领域的巨大潜力。

图1
图1 | BBL 的反双极行为及其调控。

(a) BBL 的分子结构。 (b) OECT 器件的结构示意图。 (c) BBL 的反双极行为模拟了神经元中钠通道的激活和失活状态。 (d–h) 通过电学和化学手段调控反双极行为,显示漏极电压 (\(V_{\text{DS}}\)) 依赖性 (d)、不同栅极材料 (e)、离子浓度 (f)、离子类型 (g) 和不同氨基酸/神经递质 (h) 的影响。用于比较的 OECT 具有 \(W/L = 40 \, \mu \text{m}/6 \, \mu \text{m}\) 且 BBL 厚度为 20 nm,除高电流 NH\(_4\)Cl 器件外,其通道宽度为 \(W/L = 400 \, \mu \text{m}/6 \, \mu \text{m}\)。比较各种离子类型的浓度为 100 mM,神经递质和氨基酸研究在 100 mM NaCl 电解质中进行。d–h 中的竖直虚线表示漏极电流峰值 (\(V_P\)) 对应的栅极电压,h 中实线和虚线分别表示正向和反向扫描。

图2
图2 | 基于电导的有机电化学神经元 (c-OECN)。

(a–c) 比较生物神经元 (a) 显示的 Na\(^+\) 和 K\(^+\) 通道 (b) 与 c-OECN 电路中 Na\(^+\)- 和 K\(^+\)- 基 OECT 的模拟 (c) 及其对 Ca\(^{2+}\) 和神经递质的调控。 (d) Hodgkin-Huxley 神经元模型的电路表示。 (e, f) 比较 Hodgkin 和 Huxley 研究的鱿鱼轴突动作电位 (e) 与 c-OECN 动作电位 (f)。图中 \(C_{\text{mem}}\) 表示膜电容,\(V_{\text{mem}}\) 表示膜电压,\(I_{\text{in}}\) 表示输入电流,\(R_{\text{dk}}\) 表示引起延迟的电阻。\(E_L (R_L), E_K (R_K), E_{\text{Na}} (R_{\text{Na}})\) 分别表示 HH 模型中的泄漏、钾和钠电池 (电阻)。\(V_K\) 和 \(\mu_K\) 表示 K-OECT 的阈值电压和迁移率,\(V_{\text{Na-s}} (\mu_{\text{Na-s}})\) 和 \(V_{\text{Na-m}} (\mu_{\text{Na-m}})\) 表示 Na-OECT 反双极传输曲线低电压侧和高电压侧的阈值电压 (迁移率)。\(I_{\text{Na}}\) 和 \(I_K\) 分别是钠和钾电流。

图3
图3 | 使用 c-OECN 实验演示的各种神经特性。

(a–p) 包括周期性尖峰 (a)、通过调节 \(R_{\text{dk}}\) 和 \(C_{\text{mem}}\) 实现的高频周期性尖峰 (b, c)、潜伏期 (d)、积分 (e)、不应期 (f)、共振 (g)、阈值变化 (h)、反弹尖峰 (i)、适应性 (j)、3 类尖峰——突发尖峰 (k)、1 类尖峰 (l)、2 类尖峰 (m)、带噪声输入的随机尖峰 (n)、基于钙的从 1 类到 3 类尖峰的调节 (o) 和通过氨基酸谷氨酰胺的尖峰调节 (p)。

图4
图4 | 基于生化信号调节尖峰行为及生物集成。

(a–d) 基于 NaCl 浓度 (12.5 mM (a), 25 mM (b), 50 mM (c), 和 100 mM (d)) 调节 c-OECN 的尖峰行为。 (e, f) 在低谷氨酰胺浓度 (<900 \(\mu\)M, e) 和高谷氨酰胺浓度 (>1,800 \(\mu\)M, f) 下的尖峰行为。 (g) c-OECN 电路通过 Na-OECT 检测 Na\(^+\) 离子,并通过 OECT 放大器和袖口电极集成到迷走神经中。 (h, i) 在低 NaCl 浓度 (25 mM, h) 下的放大器输出及相应的心率变化 (i)。 (j, k) 在高 NaCl 浓度 (100 mM, j) 下的放大器输出及相应的心率变化 (k)。

结论与展望

本研究开发的c-OECN展示了离子驱动的尖峰行为和高度生物相容的特性,为类生物电化学神经元的研究开辟了新路径。未来研究可探索其在复杂生物信号环境中的稳定性,并开发智能闭环系统,用于生物医学领域如炎症调控、代谢控制和脑机接口。

论文直达

原文标题:Ion-tunable antiambipolarity in mixed ion–electron conducting polymers enables biorealistic organic electrochemical neurons

原文卷期号:Nature Materials 2023, 22, 242–248

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