【“大学堂”讲学计划】哈佛大学Charles M. Lieber教授北大开讲

12月10日，应北京大学“大学堂”顶尖学者讲学计划邀请，哈佛大学约书亚-贝丝·弗里德曼校级教授、Wolf化学奖获得者、美国国家科学院和医学院院士Charles M.Lieber教授来访北大，并发表学术演讲。Lieber教授对中国和中国科学界一直怀有很深的感情，为培养中国高级科学人才和推动中国科技事业的发展作出了重要贡献。本次活动由北京大学工学院、国际合作部共同举办，光华教育基金会提供资助。

下午2时，Lieber教授在北京大学二体地下B101报告厅发表题为“New paradigms for electronic tools in brain science”的学术报告。讲座由北京大学李兆基讲席教授、美国国家科学院和医学院院士谢晓亮教授主持。首都医科大学校长、北京大学教授饶毅及两百名师生聆听了讲座。在开场致辞中，谢晓亮作为Lieber教授20年的同事和挚友，高度评价了Lieber教授在纳米科技领域的杰出成果，以及在培养中国优秀科技人才方面作出的巨大贡献。

谢晓亮主持讲座

Charles Lieber教授开宗明义地介绍了脑科学领域神经信号监测的时间-空间复杂性，并指出本领域的核心目标：一是实现对神经电信号的高时空分辨率、长时程的稳定监测;二是在单细胞的水平上对神经行为进行精确调制。Lieber教授简要综述了近50年来的电生理记录调制工具，肯定了其革新在基础神经科学研究和疾病治疗领域的重要作用。但是这些探针并没有突破材料和结构本身的桎梏，与神经组织差异大、相容性小，容易引发慢性的炎症反应，造成脑损伤。Lieber教授指出理想的电生理探针应该具备三个特征：结构尺寸小于胞体、机械强度小于组织、高孔隙率允许细胞和分子迁移。该观点为该领域其他科学家们发展神经电极技术提供了方向和纲领。

Lieber 教授发表演讲

Lieber教授首先介绍了其课题组发展的新型无缝神经界面——网状神经电极。植入式神经电极可以提供最高质量的神经元峰电位和局部场电位信号的记录。但是传统的植入电极与神经组织相容性小，容易带来脑损伤。Lieber教授通过巧妙的网状结构设计和可靠的微纳加工方法制备了一种聚合物夹层金属的神经网状电极，通过针管将网状电极注入脑部指定位置。传统的柔性薄膜电极在手术后12周仍能观测到明显的炎症反应，电极周围被一层胶质疤痕所包围。而网状电极很好地解决了这一问题，在6周、12周和一年的时间尺度上均没有显示出明显的慢性免疫反应。同时，Lieber教授课题组也发展了一种可规模化应用的电极连出方法：巧用毛细作用、无需精确对准地来连接纳米级厚度的电极末端和外部设备，解决了手术过程中的操作难题。该网状电极实现了长达一年的神经信号记录，长达数月的神经电刺激。前后一致的神经电生理信号记录结果证明了植入电极位置的不变性，这一特性也使得网状电极具备长时间追踪特定神经元放电行为的能力。课题组使用网状电极，首次连续地记录了特定神经元衰老过程中电生理信号的变化，为衰老过程中神经元间关联的研究提供了精密工具。

Lieber教授介绍了网状电极的极限形式——仿神经元设计的神经探针电子器件(NeuE)。这种神经探针模仿神经元的细胞结构特征和机械特性，电极位点与胞体相当，连线与有髓鞘的轴突相当。三维成像结果显示NeuE电极和神经元之间的相互缠绕、完美贴合。尺寸更小、孔隙率更高、更灵活的NeuE电极植入后基本上观测不到免疫炎症反应。在小鼠体内植入NeuE电极3个月的时间内，单个神经元的位点记录到的神经信号的数量和波形稳定，并且从植入2周后开始，探测到了新的神经元放电活动。过去的研究者们关注电极柔性对长时记录稳定性的影响，但是鲜少有研究者将电极的形态列入考虑因素。Lieber教授课题组将NeuE的孔隙用100nm的薄膜填满制得TfE电极。电生理和组织学结果显示TfE电极与NeuE电极相比，其界面处由于胶质细胞聚集导致的内源性神经细胞数量明显减少。

Lieber教授和大家分享了其课题组正在进行中的两项研究：一是调控细胞和探针之间的相互作用，二是神经回路的修复和重建。大脑中不同种类的神经元之间相互作用，发挥不同的功能。因此，监测和调制特定细胞类型的电生理活动对于神经科学研究和疾病治疗都有重要意义。网状电极零免疫反应的特性使得电极的靶向植入与附着成为了可能。Lieber课题组通过在神经电极表面共价连接与特定细胞反应的抗体或多肽，实现电极的靶向附着。电生理和组织学结果显示，经过修饰，电极周围对应的神经元细胞类型明显增多，并且可以记录到更多数量的神经元活动。研究者发现，NeuE电极的形状可以调节内源神经前体细胞的粘附和迁移，可能会有助于脑组织的重建和再生，为治疗脑损伤和神经退行性疾病打开了新的窗口。

讲座现场

Lieber教授对本次报告进行总结，阐述了领域内亟待解决的问题和未来的研究方向。大家争相提问、积极讨论。Lieber教授也对这种仿神经元电子器件未来在人类身上的应用进行了展望，指出在扩展植入之前，其生物相容性和安全性等需要进一步的评估。

主讲人介绍：

Charles M. Lieber教授于1959年出生于宾夕法尼亚州的费城。于富兰克林和马歇尔学院攻读获得本科学位，斯坦福大学获得博士学位，之后在加利福尼亚理工学院进行博士后研究。他于1987年移居东海岸，担任哥伦比亚大学助理教授。1991年，加入哈佛大学，现在在化学与化学生物学系和约翰·保尔森工程与应用科学学院共同担任约书亚-贝丝·弗里德曼校级教授。Lieber教授一直是纳米科学和纳米技术研究的先驱，同时也是生物电子界面研究的先行者。

Lieber教授是美国国家科学院、美国医学院、美国艺术与科学学院院士，中国科学院外籍院士，材料研究学会和美国化学学会的院士，中国化学学会的名誉院士，美国物理学会、电气和电子工程师学会、国际光学工程学会和美国科学促进协会成员。Lieber教授是《纳米快报》(Nano Letters)的共同编辑，并在许多科学和技术期刊的编辑和顾问委员会中任职。Lieber教授的研究成果获得了多个奖项的认可，其中包括韦尔奇化学奖(2019年)、耶鲁大学John Gamble Kirkwood奖(2018)、美国国立卫生研究院主任先锋奖(2017年和2008年)、Wolf化学奖(2012)等。另外，Lieber教授于2008年受聘为北京大学荣誉教授。

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