利用等离子体纳米金字塔对hiPSC神经元进行非遗传性光刺激

《ACS Photonics》：Nongenetic Photostimulation of hiPSC Neurons Using Plasmonic Nanopyramids

本研究通过在钛氮化物微电极阵列上集成金纳米金字塔，显著提高了神经元光电刺激效率，降低所需光强2.6倍，同时降低电极阻抗6倍，减少细胞损伤风险，为神经科学研究和临床应用提供新平台。

　　本研究介绍了一种通过在商业钛氮化（TiN）微电极阵列（MEA）上集成等离子体金金字塔结构，以提升人类诱导多能干细胞（hiPSC）衍生神经元的光刺激效率的技术。这种创新性的方法不仅增强了光电流的生成能力，还显著降低了电极的阻抗，为研究神经元的电生理特性提供了新的可能性。研究结果表明，金金字塔结构在低光强度下能够实现高效的神经元光刺激，同时减少了对生理条件的干扰，为未来在临床和神经科学研究中的应用奠定了基础。

神经元研究一直是神经科学领域的核心任务之一。传统的实验方法通常依赖于电化学信号的记录和操控，但这种方法可能会对细胞造成一定程度的损伤。相比之下，光刺激技术因其非侵入性、高时空分辨率和可控性而受到越来越多的关注。然而，目前大多数光刺激方法仍然依赖于基因改造手段，例如通过引入光敏感蛋白（如光遗传学中的opsins）来实现神经元的激活。尽管这种方法在基础研究中取得了显著成果，但其在临床应用中的限制仍然存在，主要原因是基因操作可能带来潜在的生物安全风险和伦理问题。

为了克服这些挑战，研究团队采用了一种非基因的光学刺激方法，通过在商业MEA上引入等离子体金金字塔结构，实现对hiPSC衍生神经元的精准控制。这种技术不仅避免了基因改造的需要，还通过优化电极的物理结构，提高了光刺激的效率。金金字塔结构的引入使得光电流的生成能力提升了30倍以上，同时电极的阻抗降低了约6倍。这种改进使得在较低光强度下即可实现有效的神经元刺激，从而减少了光对细胞的损伤，同时提高了信号的稳定性和可重复性。

研究还发现，金金字塔结构对神经元的刺激效果具有明显的时空特性。在光刺激过程中，神经元的电活动会在光照射期间迅速增加，并且在光停止后仍然保持一段时间的活跃状态。这种现象表明，光刺激可以诱导神经元产生短暂但可逆的活动变化，这对于需要精确时间控制的研究或治疗应用具有重要意义。同时，金金字塔结构的引入也使得电极与神经元之间的接触更加紧密，从而提升了刺激的局部性和精准度。

此外，研究还通过对比不同电极结构对神经元活动的影响，验证了金金字塔结构在光刺激中的优势。在相同的光强度和时间参数下，使用金金字塔结构的电极能够更有效地激活神经元，而不会对相邻电极产生干扰。这表明，金金字塔结构不仅提高了光刺激的效率，还增强了实验的可控性和可重复性。在光刺激结束后，神经元的活动会逐渐恢复到基线水平，这一过程表明光刺激对神经元的影响是可逆的，不会造成永久性的改变。

在实际应用中，金金字塔结构的引入为神经科学研究提供了更加生理相关的模型。与传统的动物神经元相比，hiPSC衍生神经元能够更真实地反映人类神经系统的特性，从而提高了研究的预测性和相关性。这种技术的应用不仅有助于理解神经元的活动机制，还为神经疾病的诊断和治疗策略提供了新的思路。通过结合高分辨率的电生理记录和非基因的光刺激方法，研究团队为未来在神经工程和临床医学中的应用打开了新的大门。

研究还强调了金金字塔结构在优化光刺激过程中的关键作用。通过调整金金字塔的几何形状和材料特性，可以进一步提高光刺激的效率。此外，研究团队还讨论了光刺激在不同时间尺度下的表现，例如在光照射期间和光停止后的神经元活动变化。这些发现不仅揭示了光刺激对神经元的动态影响，还为未来在神经网络调控和非侵入性神经刺激技术中的应用提供了理论依据。

总的来说，这项研究通过在商业MEA上引入等离子体金金字塔结构，成功实现了对hiPSC衍生神经元的高效、低扰动的光刺激。这种方法不仅提高了光刺激的效率，还降低了对细胞的损伤，为未来在神经科学研究和临床应用中的发展提供了新的方向。通过结合非基因的光刺激和高分辨率的电生理记录，研究团队为神经科学领域带来了新的突破，同时也为神经工程和生物医学研究提供了重要的技术支持。