国家纳米科学中心方英和田慧慧研究团队在基于生物编辑技术的脑机接口增强技术方面取得新进展，相关成果以Spatially Precise Genetic Engineering at the Electrode-Tissue Interface为题，发表在Advanced Materials上。

脑机接口是通过在大脑与外部电子设备之间创建直接的通讯通道，实现人与机器的高带宽信息交换，推动人工智能（AI）与人类智能（HI）的深度融合。神经电极是脑机接口中最底层的核心技术，通过将大脑中神经元的放电活动传输到体外的电子设备，从而读取大脑的意图；同时也可以通过神经电极调控神经元的放电活动，从而实现对大脑信息的写入。

神经电极和脑组织之间的界面是影响脑机接口性能的关键因素。该界面决定了信息传输效率，直接影响着脑机接口的灵敏度和精准性。近年来，大量的研究工作致力于提升神经界面性能，该领域的研究工作可分为两个方向，即非生物神经界面技术和生物神经界面技术两个方面。以往的研究主要集中在非生物神经界面技术，即通过改进电极结构或材料来提高神经电极的生物相容性，降低组织反应，从而提高脑机接口的长期稳定性。另一方面，生物神经界面技术通过生物工程技术来改善电极周围神经组织的性能，有望实现脑机接口增强。但目前为止，基于生物工程的神经界面研究在很大程度上尚未有报道。

国家纳米科学中心方英和田慧慧团队提出了一种新型生物神经界面技术。研究人员通过构建基于基因工程技术的多功能柔性神经电极，向神经电极周围的脑组织递送基因并对细胞进行特异性的基因编辑，从而实现增强型脑机接口技术。该研究通过基于核糖核酸干扰（RNAi）的基因沉默技术，成功敲低了神经界面附近神经元中的蛋白酪氨酸磷酸酶（PTEN）和星形胶质细胞中的聚嘧啶束结合蛋白1（PTBP1）基因。PTEN的沉默能够显著提高神经元细胞的生长能力。另一方面，前期的研究表明PTBP1能够将星形胶质细胞转分化为神经元细胞。研究人员对神经退行性疾病模型小鼠在RNA干扰后的神经活动进行了长期检测，发现下调神经元中的PTEN基因序列可以显著改善神经元的电活动。该研究中设计的多功能柔性神经探针能够结合生物工程和非生物工程的技术优势，对神经界面的细胞进行精准转染，实现对特定基因的有效沉默，从而提高脑机接口技术的性能。该方法拓宽了基因工程技术在增强型脑机接口领域的应用，为推动再生神经电子学和下一代脑机接口领域的发展提供了一种前景广阔的工具。

 图1. 基于基因工程的增强型脑机接口技术

图2. 负载shPTEN敲低基因的多功能柔性神经电极用于损伤模型小鼠的长期信号检测。(a)实验设计示意图；(b) PTEN基因敲低侧与对照侧记录到的神经元信号发放栅图；(c) MPTP用药两周后PTEN敲低侧和对照侧记录到的神经元动作电位和带通信号；(d) MPTP损伤模型造模前后记录到的神经元幅值的对比；(e) MPTP损伤模型小鼠不同周数下PTEN敲低侧和对照侧神经元幅值的对比。

上述工作中，国家纳米科学中心博士生许可和杨轶楠为文章的共同第一作者，国家纳米科学中心田慧慧副研究员、方英研究员为通讯作者。

    论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202401327