脑是对血氧含量最敏感的器官，脑组织中的氧含量直接影响大脑代谢和功能完整性。氧代谢异常也与颅脑创伤、缺血缺氧性脑病、癫痫、肿瘤等引起的神经系统病损密切相关，特别是在癫痫发作的过程中，除了电生理的剧烈波动，也会同时伴随氧代谢的紊乱，观察并分析癫痫患者脑内的氧代谢规律对改进癫痫的临床诊疗有着重要意义。与近红外光谱、功能磁共振等技术所获得的血氧信息相比，组织氧分压与局部神经活动和代谢过程有着更加密切的联系。如何实时、准确、便捷、原位地监测脑组织氧分压，并解析其与神经活动的相互作用关系，也是脑科学基础研究和脑疾病临床诊疗中的关键问题。近日，为了拓宽癫痫诊疗和癫痫脑网络研究中的模态选择，实现对癫痫患者大脑氧代谢的持续监测，宣武医院神经外科赵国光教授课题组联合清华大学电子工程系盛兴课题组、北京理工大学光电学院丁贺课题组开发了一种植入式微型光电探针，可在自由活动的动物深层脑组织中实现无线、连续、实时的脑组织氧分压监测。

图1 脑组织氧分压检测探针工作示意图

本工作通过设计制备微型薄膜式发光二极管（LED）和光电探测器，结合氧气敏感的磷光涂层，实现高度集成的微型植入式光电探针，利用氧气对铂系金属配合物的磷光猝灭作用实现氧分压检测。此外，研究团队开发了微型柔性电路用于无线能量与信号传输，配2024-02-04合氧分压检测探针，实现全植入式的光电氧分压传感系统。

图2 无线电路设计

在体外表征测试中，该氧分压检测探针测得的磷光信号光强随氧分压的增加而减小，探针响应时间小于1秒，并且具有高度的氧气选择性。以啮齿类动物（小鼠等）为模型，通过微创方式植入动物脑部，实现对动物深部脑区的氧分压无线动态监测，在改变吸入氧浓度、颈动脉短时程夹闭、麻醉等情况下探究脑组织氧分压的变化规律。此外，在电刺激小鼠海马脑区诱导癫痫的模型中，测得了癫痫放电之后海马、皮层等不同脑区显著的乏氧状态与氧分压波动；与电生理记录结合，同步监测癫痫过程中的神经电活动与局部组织氧分压变化， 探索了氧在神经异常活动过程中的作用与机理，以及局部神经活动与氧代谢的耦合规律。这种无线、实时、原位、精准的动态脑组织氧分压监测技术，为深入探索氧代谢过程与神经活动以及脑疾病状态的关系提供了有效的工具。

图3 无线氧分压检测系统在改变吸入氧、颈动脉结扎等状态下测试动物脑组织氧含量变化

图4 无线氧分压检测系统在小鼠癫痫放电状态下检测海马区的氧含量动态变化

该研究成果近日发表于《自然·光子学》（Nature Photonics），题为《一种用于监测深层脑组织氧含量的无线光电探针》（A Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue）。我科赵国光教授与清华大学电子系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院的盛兴教授、北京理工大学丁贺教授为共同通讯作者；共同第一作者为清华大学电子系博士生蔡雪，宣武医院神经外科魏鹏虎副教授和博士生刘全磊。其余合作者来自北京理工大学、中央民族大学等单位。该研究获得了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、科技部等项目支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y

赵国光，主任医师、二级教授、北京学者、博士研究生导师。现任首都医科大学宣武医院院长、国家神经疾病医学中心主任、国家卫健委脑损伤评价与质控中心主任、首都医科大学宣武医院神经外科立体定向与功能性脑病中心主任。

赵国光教授长期从事功能性脑疾病的诊疗与转化研究。以通讯作者身份在Lancet Public Health、Nat. Commun.、Alzheimers. Dement.、Sci. Bull.、Mol. Psychiatry 等专业期刊发表论文80余篇。主持“科技创新2030--脑科学与类脑研究”重大项目及其他国家级重点攻关计划4项。以第一完成人身份获得中华医学科技奖一等奖、北京市科技进步奖一等奖、北京市高等学校教学名师、首届脑机接口大会“卓越学者奖”等重要奖项。

魏鹏虎，神经外科副教授，硕士研究生导师，国家神经疾病医学中心科研转化部副主任，首都医科大学癫痫临床诊疗与研究中心常委兼秘书，中国抗癫痫协会立体定向脑电图与脑定位学专业委员会秘书、中国抗癫痫协会青年委员、北京医学会神外分会转化医学组委员、“Seizure”、“Frontiers of Neurology”审稿专家，为国家神经外科手术机器人专家指导委员会成员，2018年曾随脑机接口提出者、杜克大学Miguel A. Nicolelis教授研习“脑机接口与脑网络”，入选市“青苗”人才、北京市属高校教师队伍优秀青年人才。主持国自然、北京市自然重点等项目，在Nature Photonics, Nature communications, Science bulletin, Ebiomedicine, NeuroImage等杂志发表英文论文20余篇，其中，单篇最高IF 35.0分。

擅长药物难治性癫痫的诊疗与神经调控，癫痫网络的定量化定位分析、癫痫网络的多模态评估、癫痫连接组学的临床应用。

刘全磊，宣武医院神经外科博士研究生，主要研究方向为神经免疫在致痫性环路形成的机制、癫痫神经调控新靶点的探索。