近年来神经光学成像、光遗传学技术的发展，为解码神经环路结构和功能提供了强大的工具。如果能开发出同时兼容光学技术和电生理技术的神经电极，结合它们的时空优势，将为解码大脑功能提供巨大帮助。然而传统基于金属材料的神经电极不透明，而且容易产生光电伪迹，并不适用于此。要解决这个问题需要制备透明神经电极。目前科学家们在这方面有过很多的尝试，氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）是一种常用的导电透明材料，可以制备成透明电极，但是ITO比较脆，易碎，不能弯曲。石墨烯材料既满足透光性高的要求，也有很好的柔性，是非常有前景的制备柔性透明神经电极阵列的材料。2014年，Kuzum等报道了一种透明、柔软的石墨烯基ECoG神经电极技术，其采用聚酰亚胺作为基底，用CVD法制备的高质量石墨烯作为电极位点与部分引线，可以同时完成光学成像和电生理记录。他们使用荧光共聚焦和双光子显微镜对置于透明石墨烯电极阵列下的海马脑区切片进行钙成像，并同时利用石墨烯电极进行电学记录，研究发现光束照射没有在石墨烯电极的电生理记录中引起伪迹。柔性透明石墨烯电极阵列可以记录到高频的阵发性电活动和缓慢的突触电位，这是难以通过钙成像观察到的（图3-11）。柔性透明石墨烯电极阵列为电-光模态共用动态监测神经元活动提供了有效工具。[41]
图3-11 柔性透明石墨烯电极的电生理测量与钙成像技术联用[42]
同期，Park等也报道了一种基于多层石墨烯的柔性透明ECoG电极阵列（Carbon-layered Electrode Array，CLEAR），他们用CVD法制备了单层石墨烯，通过四次转移至硅片基底，并将转移得到的石墨烯薄膜图案化，形成了由四层石墨烯构成的16通道ECoG电极阵列，该电极在紫外到红外光谱范围内表现出了大于90％的高光学透明度。利用该电极，他们在啮齿类动物模型上记录到了光遗传刺激下的皮层激活信号，并利用荧光显微镜和3D光学相干断层成像技术对电极下的皮质血管进行了成像（图3-12）。[42]
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图3-12 柔性透明石墨烯ECoG电极阵列与光遗传技术同步联用[42]
基于植入式电极的电刺激技术不仅被广泛用于神经类疾病的治疗，如帕金森综合征和癫痫等，而且还在神经科学的基础研究中被广泛使用。电刺激下对被刺激脑区的同步光成像，对揭示电刺激机理和效应有很大的帮助，然而传统非透明的神经电极大大地限制了此方面的研究。2018年，Park等制备了透明石墨烯基刺激电极阵列，他们将此电极植入GCaMP6f转基因小鼠大脑，在电极给电刺激的同时对电极下方的神经组织的激活情况进行了光学成像（图3-13）。通过尝试不同刺激条件，他们发现相比阳极电流引导的电刺激，阴极电流引导的电刺激可以更高效地激活神经元。经过电化学表征和活体实验测试，他们发现由四层石墨烯薄膜构成的电容式刺激电极的电荷注入密度极限值为116.07～174.10 μC／cm2。[43]
图3-13 透明石墨烯基刺激电极阵列及其应用[43]
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