非人灵长类无菌半密封颅腔植入体实现神经化学与电生理信号长期多通道同步记录

为解决非人灵长类动物深部脑区长期多模态神经信号记录中存在的感染风险和电极易损问题，研究人员开发了一种基于PEKK材料与密封设计的植入式颅腔系统。该系统通过骨整合技术和抽吸端口设计，实现了长达1年的无菌环境维持，并成功同步记录了纹状体多巴胺（DA）释放与电生理信号（LFP/spike），为帕金森病等疾病的转化研究提供了新工具。

　　

在探索大脑奥秘的征程中，科学家们一直渴望能同时捕捉神经元的电活动与化学信号的动态变化。这种多模态记录对于理解学习、记忆乃至帕金森病等神经疾病的机制至关重要。然而，现有的深部脑区记录技术面临两大挑战：一是脆弱的碳纤维电极（CFE）在植入过程中极易损坏，二是传统开放式的颅腔植入系统难以长期维持无菌环境，导致感染风险高且需要频繁维护。

针对这些难题，来自匹兹堡大学的研究团队在《Journal of Neuroscience Methods》发表了一项创新研究。他们设计了一种革命性的半密封颅腔植入系统，巧妙结合聚醚酮酮（PEKK）的骨整合特性与模块化密封设计，首次实现了非人灵长类动物纹状体区域多巴胺（DA）和电生理信号的长期稳定记录。这项突破不仅将神经化学与电生理记录技术的兼容性推向新高度，更为转化医学研究提供了关键工具。

研究团队运用了三大核心技术：基于7T MRI和CT扫描的立体定位引导植入技术，确保电极精准靶向纹状体；采用PEKK 3D打印基板与钛/陶瓷螺钉实现颅骨无骨水泥固定，增强抗感染能力；通过抽吸端口和真空密封垫圈构建动态无菌环境监测系统。实验选用两只恒河猴（Macaca mulatta）作为模型，分阶段实施基板植入、开颅和电极植入手术。

3.1 术后恢复
尽管存在短暂的运动障碍（如猴J出现对侧肢体无力），通过调整地塞米松剂量成功控制炎症反应，证实系统对急性并发症的耐受性。

3.2 腔液引流
独创的26G抽吸端口实现日均0.2-9.8 mL液体引流，初期血性渗出液逐渐转为浆液性，猴T保持全年无菌培养阴性，猴J通过局部头孢唑林灌注成功消除葡萄球菌感染。

3.3 骨生长观察
术后346天影像显示基板周围形成白色膜状骨整合结构，PEKK材料促进颅骨向内生长，为密封界面提供机械支撑。

3.4 植入边缘稳定性
与传统骨水泥固定相比，PEKK基板边缘皮肤仅需每1-2周消毒，猴J甚至无需维护，证明其长期生物相容性优势。

3.5 神经信号记录效能
53%（猴T）和25%（猴J）的碳纤维电极（sCFE）保持功能，其中63%检测到任务相关的多巴胺浓度变化（Δ[DA]）。如图8所示，电极c8ds在奖励提示后显示显著的多巴胺氧化还原电流（-0.2/0.6 V），大奖励试验的Δ[DA]增幅达2.5倍。同步记录到的β波段LFP功率抑制（图9）与多巴胺释放呈现时间锁定关系，揭示出化学-电信号耦合的动态特征。

这项研究通过材料创新与工程设计的完美融合，建立了首个兼容碳纤维电极（CFE）的长期无菌记录系统。其价值体现在三方面：技术上，PEKK基板的骨整合特性解决了传统骨水泥引起的感染和松动问题；方法学上，抽吸端口设计将维护频率从每日降至每月；科学上，为揭示多巴胺（DA）与神经振荡的因果关系提供了全新研究范式。尽管电极插入成功率仍有提升空间（如采用电动线性致动器控制插入速度），但该系统已为帕金森病等疾病的转化研究搭建起不可或缺的技术平台。未来通过优化电极阵列密度和密封策略，有望在神经调控治疗和脑机接口领域产生更深远影响。