皮层内微电极植入伴随性损伤的生理反应转录组学分析：揭示手术与植入物诱导神经炎症的新视角

本推荐语：本研究通过转录组学分析（Transcriptomic Analysis）系统解析了皮层内微电极（IMEs）植入过程中开颅术（Craniotomy）、穿刺伤（Stab Wound）和植入物（Implant）对神经炎症反应的贡献。发现即使远端未损伤脑区也出现炎症基因表达变化，提示神经炎症具有广泛性和持续性。结果为优化神经接口技术、减少医源性损伤提供了关键分子机制依据。

　　

Highlight

Introduction:

皮层内微电极（Intracortical Microelectrodes, IMEs）植入大脑皮层后，可捕获电极位点50-150 μm半径内神经元的电信号^1,2。这些信号不仅有助于深化对健康与疾病状态下大脑功能的理解，还能经过处理后帮助用户控制计算机化设备或为运动功能障碍者恢复运动功能^3-7。然而，目前这类设备在临床和实验应用中仍面临长期稳定性的重大挑战。

Experimental Design:

本研究设计了一套实验方案，以探究与慢性IMEs植入相关的各损伤成分的效应：包括为进入皮层而实施的开颅术（Craniotomy）、IMEs插入导致的穿刺伤（Stab Wound），以及植入物持续存在引发的反应。实验在大鼠脑内四个象限（以矢状缝和冠状缝划分）分别施加不同损伤条件（图1），其中一个象限仅行开颅术，另一象限接受开颅加穿刺伤，第三象限植入硅单支电极（Implant），第四象限保持未损伤（Uninjured）作为对照。

Intracortical Implants:

植入及穿刺伤条件采用Qualia Labs（Dallas, TX, USA）特制的硅单支电极（2 mm长、123 μm宽、15 μm厚，图1A）。该类硅支电极在尺寸和材料特性上匹配常用于啮齿类皮层记录研究的密歇根式单支微电极，是此类研究中的金标准。植入前，硅支电极经环氧乙烷气体灭菌（12.44°C，灭菌1小时，通风12小时），并始终保持无菌直至手术使用。

Results:

在术后2周（2WK）、8周（8WK）和16周（16WK），我们通过定制包含212个神经炎症与神经元健康相关基因的Panel，进行批量转录组分析（Bulk Transcriptomic Analysis），并与未手术的Na?ve对照组进行比较。结果显示，与Na?ve组相比，各损伤组在多个时间点均存在大量显著差异表达基因。开颅术组、穿刺伤组和植入组在基因及通路表达谱上表现出高度相似性。值得注意的是，未损伤区域也显示出神经炎症相关基因的表达变化，表明皮层内植入引发的神经炎症反应可扩散至远端脑区。

Discussion:

本研究系统探讨了IMEs植入过程中各损伤成分对神经炎症反应的贡献。通过在同一个体脑内同时设置未损伤区域，评估了损伤对远端脑区的潜在影响。转录组分析为理解急、慢性神经炎症机制提供了全面而敏感的视角。研究结果表明，神经炎症反应不仅局限于植入部位，还具有广泛性和持续性，提示未来需开发新策略以减轻神经植入物的医源性效应，并警示增加植入点以扩大组织覆盖范围可能会加剧神经炎症反应。

Conclusion:

本研究利用定制基因Panel分析了大鼠中开颅术、穿刺伤、植入点及未损伤区域在2周、8周和16周的神经炎症基因表达谱。通过与未手术Na?ve大鼠对比，明确了各损伤条件下从急性到慢性时间点基因表达的变化。研究深化了我们对IMEs植入伴随性损伤在急、慢性神经炎症中作用的理解，为改进神经接口技术的生物相容性和长期性能提供了关键见解。