Genetiskt kodade optogenetiska effektorer, inhibitorer och fluorescerande indikatorer är viktiga verktyg inom neurovetenskap. Optogenetiska tekniker möjliggör exakt manipulation av neurala kretsar med hjälp av ljus. Ljusdämpning innebär dock utmaningar för att leverera rumsligt format ljus som kontrollerar stimuleringsintervallet till djupa hjärnregioner.
Enligt MEMS Consulting har forskare från Max Planck Institute of Microstructure Physics i Tyskland nyligen övervunnit denna utmaning genom en implanterbar neural kiselprob med integrerade mikroelektroder och nanofotoniska kretsar tillverkade av ett gjuteri. Den här sonden kan avge designade strålmönster med tillräckligt hög effekt för att stimulera neurala aktiviteter, allt från cellulära toppar till fullständiga-nätverkssvar. In vivo-experiment utvärderade sonder som avger låg-divergensstrålar eller plana ljusskivor, som båda kan selektivt stimulera neuroner på olika djup. En jämförelse av spikreaktionerna de inducerade visar att, jämfört med den låga-divergenssonden, kan ljusplåtssonden inducera en högre grad av utmattning av tändhastigheten vid lägre ljusintensiteter. Ljusarksonden kan också framkalla anfall i hippocampus hos en musmodell av epilepsi samtidigt som temperaturen hålls inom 1 grad. Att integrera ytterligare enheter, såsom våglängdsmultiplexorer och fotodetektorer, kan möjliggöra ett multi-implantat för multi-modal hjärnaktivitetskartläggning. De relaterade forskningsresultaten publicerades i tidskriftennpj Biosensingunder titeln "Implanterbara nanofotoniska neurala sonder för integrerad mönstrad fotostimulering och elektrofysiologisk inspelning".
Det nanofotoniska neurala sondsystemet som föreslås i detta dokument visas i figuren nedan. Sonden är passiv och använder en laserkälla från-chip och inspelningselektronik för att minimera risken för vävnadsupphettning. Varje sond är ansluten till ett externt laserskanningssystem och ett elektrofysiologiskt datainsamlingskort för samtidig optisk stimulering och elektrofysiologisk registrering. De nanofotoniska neurala sonderna tillverkades på 200 -mm-diameter kiselskivor med hjälp av djup ultraviolett (DUV) litografi vid Advanced Micro Foundry.
Konceptuellt diagram av det nanofotoniska neurala sondsystemet
Denna sond består av ett enda lager av kiselnitrid (SiN) för optiska vågledare och tre lager av aluminium (Al) metallledningsskikt. Titannitrid (TiN) används för att bilda biokompatibla ytmikroelektroder. Genom gjuteriets waferback-slipningsprocess följt av efter-bearbetningspolering kan sondens tjocklek reduceras till 40 - 60 µm.
Översikt över neurala sonder integrerade med mikroelektroder
För att visa förmågan att anpassa strålemissionsmönstret designade forskarna sonder med två olika gitter. Den första typen av sond, kallad "låg divergens (LD) sond", avger en låg divergensstråle från ett enda skaft. En sond med låg divergens har 16 enhetliga gitter och 18 elektroder. Den andra typen av sond, kallad "light sheet (LS)-probe", kan avge ett ljusark för optisk stimulering av fullt-nätverksintervall på ett specifikt djup. En ljusplåtssond har 4 sondskaft som är 4 mm långa och 5 ljusplåtssändare. Ljusarket bildas av den överlappande emissionen av 8 gitter-emitteruppsättningar på de 4 sondskaften.
Karakterisering av sonderna
I in vivo-experiment kan både den låga-divergenssonden och den lätta-arksonden selektivt stimulera neuroner på olika djup av cortex. Den plana strålemissionen från ljus-arksonden ger en bredare stråltäckning, vilket stimulerar nervcellerna runt de fyra sondskaften. Jämfört med den låga-divergenssonden inducerar lätt-arksonden dessutom en starkare elektrofysiologisk respons vid en lägre uteffekt, vilket bevisas av en starkare utmattning av tändhastigheten. Dessutom kan det inducera anfall i hippocampus hos epileptiska musmodeller samtidigt som den förväntade temperaturökningen hålls under<1 °C.
Demonstration av rumsligt selektiv optogenetisk stimulering med hjälp av en lätt-arksond i vakna och huvud-fixerade möss.
I den epileptiska musmodellen inducerar lätt-arksonden anfall i CA1-regionen av hippocampus genom optogenetik.
Så vitt forskarna vet är detta arbete den första demonstrationen av en nanofotonisk neural sond. Den anpassar strålemissionsmönstret genom de kombinerade fördelarna med hög uteffekt och en flexibel emitterdesign, vilket möjliggör ett fullständigt-nätverkssvar på optogenetisk stimulering. Den lätta arksonden som föreslås i detta dokument kan fungera som en grundläggande byggsten för att främja utvecklingen av multifunktionella neurala sonder för att studera fullständig-nätverksaktivitet, särskilt anfallsdynamik i epilepsiforskning.
Sammanfattningsvis har forskarna demonstrerat en gjuteri-tillhandahållen fotonisk integrerad krets (PIC)-plattform för att utveckla implanterbara neurala sonder som samtidigt kan utföra elektrofysiologiska inspelningar och mönstrad ljusstimulering. Det unika med denna sond ligger i dess användning av integrerad nanofotonikteknik för att anpassa ljusemissionsmönstret för att stimulera olika vävnadsvolymer. Förutom att sända ut låga-divergensljusstrålar för att inducera cellulär spikaktivitet, kan den integrerade ljussändaren, som distribuerar ljusemission längs sondens skaft för att generera plan belysning, utöka tillämpningen av fotoniska neurala kiselsonder till fullständig-nätverksavläsning på specifika djup. I framtiden kan ytterligare utveckling av dessa sonder för att stödja högre effektutsläpp och uppnå utbredd ljusfördelning användas för att stimulera större hjärnregioner hos gnagare eller djur med större hjärnor. Genom gjuteritillverkning förväntar sig forskarna att en ny generation av multifunktionella neurala implantat för multimodal neural stimulering och inspelning kan massproduceras- för en bred spridning av denna teknik till neurovetenskapssamhället.
Papperslänk:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3