开发新型神经调控技术，对生物神经活动进行实时、精确地激活和抑制，对于深入理解神经系统的运行机理、开发神经疾病治疗手段等都具有重要的意义。相较于药物等生物化学方法，基于光电信号等物理场的神经调控方式具有无线操控、时空分辨率高、响应快、副作用小等优点，也是近年来脑机接口领域的研究热点。

近日，清华大学电子工程系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院盛兴课题组与合作者在《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）发表论文，题为《可降解薄膜硅基二极管光电激活和抑制神经活动》（Bioresorbable thin-film silicon diodes for the optoelectronic excitation and inhibition of neural activities）。论文发现，使用柔性薄膜单晶硅二极管与神经系统集成，在光照情况下可产生极化电场，不需引入光遗传学等基因编码工具，即可对离体和在体的神经信号进行选择性的无线激活和抑制。同时，薄膜硅结构可在生物体内安全降解，具备良好的生物相容性。这种生物友好、非遗传学、可无线远程操作、实现激活-抑制双向光电调控的植入式器件，可为基础神经科学研究和临床应用提供有效的技术支撑。

图1. 可降解硅薄膜二极管产生光电信号激活和抑制神经活动：示意图

在离体实验中，通过在极性不同的薄膜硅二极管结构（p⁺n型和n⁺p型）表面培养背根神经元（dorsal root ganglion, DRG），硅器件的极化光生电场可相应地抬升或降低细胞的膜电位，引起神经元的去极化或超极化，进一步激活或者抑制动作电位的发放，并引起钙活动信号的上升或者下降。

图2.硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制离体神经元活动

通过微纳工艺制备的图案化硅基薄膜器件，可共形贴附在活体生物组织表面，进行在体生物神经信号的远程光电调控。把硅基二极管薄膜包覆于小鼠的坐骨神经节，通过极性依赖的光生电场，可选择性地增强或者减弱小鼠后肢的运动幅度。把硅基二极管薄膜贴附在小鼠大脑皮层上，产生的光生电场也可相应地激活或者抑制皮层的电活动。

图3.硅薄膜二极管光电压极性依赖的激活和抑制在体神经：（a）调控坐骨神经的激活和抑制活动和（b）调控大脑皮层内神经区域的激活和抑制活动

另外，硅基半导体还具备良好的生物安全性和可降解特性，把硅薄膜器件与可降解的衬底结合，将其包覆在动物坐骨神经或者贴附在大脑皮层上，通过长期实验记录，均可观察到硅薄膜在生物体内的自然溶解和消失过程。这种可降解特性，可避免引入二次手术取出植入物带来的风险，为特定的医疗应用展示了潜在的前景。

图4.坐骨神经和大脑皮层上硅薄膜的生物降解性测试

本文的共同通讯作者为盛兴（清华大学电子系，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院）、李骁健（中国科学院深圳先进技术研究院，深港脑科学创新研究院）、汪世溶（北京理工大学），共同第一作者为黄云翔（原清华大学博士后）、崔玉婷（北京生命科学研究所博士后）、邓汉杰（中国科学院深圳先进技术研究院）。合作者来自清华大学电子系、材料学院、生命科学学院、中国科学院深圳先进技术研究院、北京理工大学、北京脑科学与类脑研究中心等单位。该研究获得了国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、北京市基金、科技部等项目支持。