综述：脑内神经化学物质实时电化学检测的进展

《Current Opinion in Electrochemistry》：Advancements in real-time electrochemical sensing of brain neurochemicals

　　

引言

对神经化学动态进行实时监测，对于理解调控大脑功能与功能障碍的机制至关重要。人脑由约860亿个神经元以及数量相近的胶质细胞组成，两者共同参与到高度精密调控的神经化学信号传递中。在化学突触处，动作电位会触发突触囊泡的外排以及神经递质从突触前末梢的快速释放。这些分子扩散穿过突触间隙，激活邻近细胞上的受体，从而介导细胞间的通讯。目前已鉴定出超过100种神经递质和神经调质，范围涵盖经典的小分子神经递质到神经肽。它们共同构成复杂的、相互关联的信号网络，其协同的时空相互作用塑造了神经元回路，并支持学习、记忆、认知和行为等大脑功能。理解此类网络中的分子相互作用，需要能够以高时空分辨率追踪多种神经化学信号的技术。

电化学技术以其独特的高时间分辨率和化学灵敏度的定量实时测量能力，并结合微型化电极的兼容性，为神经传递研究提供了有力支持。这些能力使研究能够跨越时空尺度，从单细胞层面下毫秒级的量子化囊泡外排事件，到自由行为动物完整大脑回路中秒级的细胞外神经化学成分浓度波动。电化学传感技术的进步不仅源于提升单一神经递质测量分析性能的需求，也源于人们对同时监测多种神经化学物质、以更好理解其协同作用如何调控大脑功能的日益增长的兴趣。本文综述重点关注电极设计、分子识别策略、多分析物检测以及多路复用平台等方面的最新进展，这些进展为跨越空间和时间尺度研究神经化学信号传递提供了支撑。

章节摘要

电化学神经递质检测的最新进展：从成熟的碳纤维微电极到新兴传感技术

自1970年代Ralph Adams团队首次将其应用以来[1]，碳纤维微电极（CFMEs）一直是实时检测神经递质释放的电化学"金标准"。其微小的尺寸（直径5-7 μm）结合高灵敏度和快速的电子转移动力学，能够在几乎不损伤组织的情况下检测多巴胺和血清素等电化学活性神经递质[2]。CFMEs的通用性已支持了跨越

替代性碳基电极材料的探索

在CFMEs修饰研究并行推进的同时，替代性碳基电极材料也被探索用于神经递质检测，特别是面向体内应用[5]。柔性碳纳米管（CNT）纱线作为传统CFMEs的有吸引力替代品，其石墨边缘缺陷位点和广泛的sp2杂化既提供了快速的电子转移，又具备抗污性能[5]、[13]??。氧化石墨烯纤维也已显示出

用于神经递质检测的分子识别与生物传感策略

核酸适配体是用于神经递质传感的通用分子识别元件，因其具有高亲和力和高选择性。基于适配体的传感器已开发用于小分子神经递质[20]、[21]、[22]、神经肽[23]以及多种神经化学物质的多分析物检测[24]、[25]?。尽管面临适配体稳定性和生物污损的挑战，但最近的进展已实现了实时离体和体内神经递质测量。示例包括

电化学多神经递质检测的最新进展

理解大脑中的神经化学相互作用，需要能够在单一电化学传感器上同时监测多种神经化学物质的工具。几种新兴策略可在单个电化学传感器上实现多神经递质检测，确保信号从同一空间位置采集，并避免了使用多个探针测量时固有的空间分离问题（见表1）。在碳基传感器中，聚合物涂层可以移动神经递质氧化峰电位并促进

将多路复用电化学检测与其他互补技术体内结合

微型化电化学传感器可与互补方法集成，提供多模态体内测量（见表2）。例如，基于快速循环伏安法（FSCV）的多巴胺检测已成功与功能磁共振成像（fMRI）[49]以及荧光谷氨酸传感[50]结合。Driscoll及其同事最近展示了一个多模态平台，结合CNT纱线电极实现FSCV多巴胺传感和电生理记录，以及聚合物纤维

结论与未来展望

实时电化学神经递质传感为跨越广阔空间和时间尺度研究神经化学信号传递提供了强有力的手段。在控制电极尺寸、几何形状、表面结构和识别化学方面的进展，拓宽了可检测神经化学物质的范围，同时提高了灵敏度、空间分辨率以及针对复杂生物环境的兼容性。这些能力使得传感器可以被适应于特定的生物学问题，

利益冲突

作者声明不存在任何可能被认为会影响本综述文章所报道工作的利益冲突。

利益声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些情况可能被认为会影响本文所报道的工作。

致谢

我们感谢纳米前沿领域在查尔姆斯理工大学提供的资金支持。

Ajay Pradhan|Ann-Sofie Cans

查尔姆斯理工大学 化学与化学工程系，Kemig?rden 4, 哥德堡 412 96, 瑞典