Genetisk kodede optogenetiske effektorer, inhibitorer og fluorescerende indikatorer er vigtige værktøjer inden for neurovidenskab. Optogenetiske teknikker muliggør præcis manipulation af neurale kredsløb ved hjælp af lys. Imidlertid udgør lysdæmpning udfordringer for at levere rumligt formet lys, der styrer stimuleringsområdet til dybe hjerneområder.
Ifølge MEMS Consulting har forskere fra Max Planck Institute of Microstructure Physics i Tyskland overvundet denne udfordring gennem en implanterbar silicium neural sonde med integrerede mikroelektroder og nanofotoniske kredsløb fremstillet af et støberi. Denne sonde kan udsende designet strålemønstre med tilstrækkelig høj effekt til at stimulere neurale aktiviteter lige fra cellulære spidser til fulde-netværksresponser. In vivo-eksperimenter evaluerede prober, der udsender lav-divergensstråler eller plane lysark, som begge selektivt kan stimulere neuroner i forskellige dybder. En sammenligning af de spidsreaktioner, de inducerede, viser, at sammenlignet med sonden med lav-divergens kan lysarksonden inducere en højere grad af udmattelse af fyringshastigheden ved lavere lysintensiteter. Lyspladesonden kan også fremkalde anfald i hippocampus af en musemodel af epilepsi, mens temperaturen holdes inden for 1 grad. Integrering af yderligere enheder, såsom bølgelængdemultipleksere og fotodetektorer, kan aktivere et multi-funktionelt implantat til multi-modal kortlægning af hjerneaktivitet. De relaterede forskningsresultater blev offentliggjort i tidsskriftetnpj Biosensingunder titlen "Implanterbare nanofotoniske neurale prober til integreret mønstret fotostimulering og elektrofysiologisk optagelse".
Det nanofotoniske neurale probesystem foreslået i dette papir er vist i figuren nedenfor. Sonden er passiv og bruger en off-laserkilde og optageelektronik for at minimere risikoen for vævsopvarmning. Hver sonde er forbundet til et eksternt laserscanningssystem og et elektrofysiologisk dataopsamlingskredsløbskort til samtidig optisk stimulering og elektrofysiologisk registrering. De nanofotoniske neurale prober blev fremstillet på 200 -mm-diameter siliciumwafers ved hjælp af dyb ultraviolet (DUV) litografi på Advanced Micro Foundry.
Konceptuelt diagram af det nanofotoniske neurale probesystem
Denne sonde består af et enkelt lag siliciumnitrid (SiN) til optiske bølgeledere og tre lag af aluminium (Al) metalledningslag. Titaniumnitrid (TiN) bruges til at danne biokompatible overflademikroelektroder. Gennem støberiets waferback-slibeproces efterfulgt af efter-polering kan sondetykkelsen reduceres til 40 - 60 µm.
Oversigt over neurale prober integreret med mikroelektroder
For at demonstrere evnen til at tilpasse stråleemissionsmønsteret designede forskerne sonder med to forskellige gitre. Den første type sonde, kaldet "lav divergens (LD) sonde", udsender en lav divergensstråle fra et enkelt skaft. En lavdivergenssonde har 16 ensartede gitre og 18 elektroder. Den anden type probe, kaldet "light sheet (LS) probe", kan udsende et lysark til optisk stimulering af fuld-netværksrækkevidde i en bestemt dybde. En lyspladesonde har 4 probeskafter, der er 4 mm lange og 5 lyspladeudsendere. Lysarket er dannet af den overlappende emission af 8 gitter-emitter-arrays på de 4 probeskafter.
Karakterisering af proberne
I in vivo-eksperimenter kan både lav-divergensproben og let-ark-proben selektivt stimulere neuroner i forskellige dybder af cortex. Den plane stråleudsendelse af lys-arksonden giver en bredere stråledækning, hvilket stimulerer neuronerne omkring de fire sondeskafter. Sammenlignet med lav-divergenssonden inducerer let-arksonden desuden en stærkere elektrofysiologisk respons ved en lavere udgangsintensitet, hvilket fremgår af en stærkere udmattelseshastighed. Desuden kan det fremkalde anfald i hippocampus af epileptiske musemodeller, samtidig med at den forventede temperaturstigning holdes under<1 °C.
Demonstration af rumligt selektiv optogenetisk stimulering ved hjælp af en let-arksonde i vågne og hoved-fikserede mus.
I den epileptiske musemodel inducerer let-arksonden anfald i CA1-regionen af hippocampus gennem optogenetik.
Så vidt forskerne ved, er dette arbejde den første demonstration af en nanofotonisk neural sonde. Den tilpasser stråleemissionsmønsteret gennem de kombinerede fordele ved høj udgangseffekt og et fleksibelt emitterdesign, hvilket muliggør en fuld-netværksreaktion på optogenetisk stimulering. Den lysarksonde, der er foreslået i dette papir, kan tjene som en grundlæggende byggesten til at fremme udviklingen af multifunktionelle neurale prober til undersøgelse af fuld-netværksaktivitet, især anfaldsdynamik i epilepsiforskning.
Sammenfattende har forskerne demonstreret en støberi-forsynet med fotonisk integreret kredsløb (PIC) platform til udvikling af implanterbare neurale prober, der er i stand til samtidigt at udføre elektrofysiologiske optagelser og mønstret lysstimulering. Det unikke ved denne sonde ligger i dens udnyttelse af integreret nanofotonik-teknologi til at tilpasse lysemissionsmønsteret til stimulering af forskellige vævsvolumener. Ud over at udsende lysstråler med lav-divergens for at inducere cellulær spidsaktivitet, kan den integrerede lysark-emitter, som fordeler lysemission langs sondeskaftet for at generere plan belysning, udvide anvendelsen af silicium fotoniske neurale prober til fuld-netværksinterrogation i bestemte dybder. I fremtiden vil yderligere udvikling af disse sonder til at understøtte højere effektemission og opnå udbredt lysfordeling kunne bruges til at stimulere større hjerneområder hos gnavere eller dyr med større hjerner. Gennem fremstilling af støberi forventer forskerne, at en ny generation af multifunktionelle neurale implantater til multimodal neural stimulering og registrering kan masseproduceres- til udbredt udbredelse af denne teknologi til det neurovidenskabelige samfund.
Papirlink:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3