《Biosen. Bioelectron.》双频道生物电子器件用于高维神经生理信号的传感器内解耦

背景介绍：

用于构建与大脑、心脏及其他器官系统紧密、功能性接口的先进技术，为生物医学研究和临床实践提供了强大能力。特别是，能够实现从神经元级分辨率到宏观区域覆盖等多种空间尺度下生物信号精准电生理标测的植入式电子器件，引起了人们极大的兴趣。

与传统的神经记录电极相比，有机电化学晶体管系统具有信号放大、高灵敏度、组织相容力学性能和低能耗等特性，能够以高信噪比获取特定信号。神经元通过电信号和神经递质信号这两种通信模式进行交流与互动，维持着各脑区的运作以及整个神经网络的互联。然而，现有技术只能通过单一设备记录神经电信号或神经化学信号,仅仅依赖单一类型的信号可能会导致生理信息失真。

为解决这一问题，一种颇具前景的解决方案是开发一种多模态传感器，它能够在单个设备中高效监测并分离不同类型的生物信号，从而在减少设备密度的同时避免信号干扰。迄今为止，这种具备传感器内解耦能力的生物电子器件尚未得到探索，这不仅阻碍了集成生物电子学的实际应用，也增加了疾病诊断、生命体征监测及精准医疗中的误差风险。

近期，复旦大学魏大程教授课题组与宋恩名研究员团队合作报道了双频通道集成生物电子器件相关成果以“Dual-Frequency-Channel Integrated Bioelectronics for In-Sensor Decoupling High-Dimension Neurophysiologic Signals”为题发表在国际学术期刊Biosensors and Bioelectronics上（DOI:10.1016/j.bios.2026.118784）。

研究的主要内容介绍：

研究团队开发了一种具有双频通道有机电化学晶体管，能够实现对高维神经生理信号的高分辨率传感器内解耦，从而避免当前集成式生物电子器件中存在的信号串扰及潜在信息丢失问题。在该传感器内解耦有机电化学晶体管（ISD-OECT）中，有源层由具有导电网络的聚合物材料构成，其电导率可被神经电位和谷氨酸以不同的响应动力学所调控，从而形用于监测频率高于 45 Hz 的神经电信号的高频通道，以及一个用于追踪频率低于 5 Hz 的神经化学信号的低频通道。

图一：

ISD-OECT 的结构及工作原理。

（来源：Biosensors and Bioelectronics）

将100个独立的ISD-OECT器件集成，形成能够同时监测神经电信号和化学信号的神经接口。借助马蹄形的几何结构，该器件能够直接贴附在小鼠大脑皮层表面，有效监测癫痫发作期间小鼠大脑皮层中谷氨酸浓度的升高以及异常神经电信号信号。更重要的是，癫痫波的振幅以及谷氨酸的浓度在更靠近癫痫病灶的位置处更高，导致更大的电流强度，从而对癫痫病变区域进行高分辨率的动态定位，因此，ISD-OECT神经接口在神经疾病诊断和治疗中具有一定的应用前景。

图二：

癫痫病灶的时空共定位

（来源：Biosensors and Bioelectronics）

小结：

在复杂的高离子浓度生物环境中，电子设备所收集的信号在高集成度的情况下不可避免地会存在相互干扰。本工作并提出了一种新型生物电子器件，该器件利用不同的频率响应通道来监测和解神经电信号和谷氨酸浓度信号，从而获得准确、可靠的生理信息。与其他双模态神经接口相比，ISD-OECT对谷氨酸的检测限低至 900 zM，为监测体内神经化学动态过程提供了出色的分辨率。凭借其自解耦能力、柔性、超薄厚度和生物相容性等优点，基于ISD-OECT的神经接口能够用于记录多维的大规模梯度神经活动信息，并实现对癫痫病灶的精确定位。