Geneticky kódované optogenetické efektory, inhibítory a fluorescenčné indikátory sú dôležitými nástrojmi v neurovede. Optogenetické techniky umožňujú presnú manipuláciu s nervovými obvodmi pomocou svetla. Útlm svetla však predstavuje výzvy pri poskytovaní priestorovo tvarovaného svetla, ktoré riadi rozsah stimulácie do hlbokých oblastí mozgu.
Podľa MEMS Consulting nedávno výskumníci z Max Planck Institute of Microstructure Physics v Nemecku prekonali túto výzvu prostredníctvom implantovateľnej kremíkovej neurálnej sondy s integrovanými mikroelektródami a nanofotonickými obvodmi vyrobenými v zlievárni. Táto sonda môže vysielať navrhnuté vzory lúčov s dostatočne vysokým výkonom na stimuláciu nervových aktivít od bunkových špičiek až po úplné-reakcie siete. Experimenty in vivo hodnotili sondy, ktoré vyžarujú lúče s nízkou -divergenciou alebo plošné svetelné vrstvy, pričom obe môžu selektívne stimulovať neuróny v rôznych hĺbkach. Porovnanie odoziev na špičky, ktoré vyvolali, ukazuje, že v porovnaní so sondou s nízkou -divergenciou môže sonda so svetelným plátom vyvolať vyšší stupeň únavy pri rýchlosti streľby pri nižších intenzitách svetla. Sonda so svetlou vrstvou môže tiež vyvolať záchvaty v hipokampe u myšacieho modelu epilepsie pri udržiavaní zvýšenia teploty v rozmedzí 1 stupňa. Integrácia ďalších zariadení, ako sú multiplexory vlnovej dĺžky a fotodetektory, môže umožniť multifunkčný implantát na multi{10}}modálne mapovanie mozgovej aktivity. Súvisiace výsledky výskumu boli publikované v časopisenpj Biosensingpod názvom „Implantovateľné nanofotonické nervové sondy pre integrovanú vzorovanú fotostimuláciu a elektrofyziologický záznam“.
Systém nanofotónových neurálnych sond navrhnutý v tomto článku je znázornený na obrázku nižšie. Sonda je pasívna a využíva vypnutý-čipový laserový zdroj a záznamovú elektroniku, aby sa minimalizovalo riziko zahrievania tkaniva. Každá sonda je pripojená k externému laserovému skenovaciemu systému a doske s obvodmi na získavanie elektrofyziologických údajov na simultánnu optickú stimuláciu a elektrofyziologický záznam. Nanofotonické nervové sondy boli vyrobené na kremíkových doštičkách s priemerom 200 - mm pomocou hlbokej ultrafialovej (DUV) litografie v Advanced Micro Foundry.
Koncepčný diagram nanofotonického systému neurálnej sondy
Táto sonda pozostáva z jednej vrstvy nitridu kremíka (SiN) pre optické vlnovody a troch vrstiev hliníkových (Al) kovových vrstiev vodičov. Nitrid titánu (TiN) sa používa na vytvorenie biokompatibilných povrchových mikroelektród. Prostredníctvom procesu spätného brúsenia plátkov zlievarne, po ktorom nasleduje-leštenie po spracovaní, možno hrúbku sondy zmenšiť na 40 - 60 µm.
Prehľad neurónových sond integrovaných s mikroelektródami
Na demonštráciu schopnosti prispôsobiť vzor emisie lúča výskumníci navrhli sondy s dvoma rôznymi mriežkami. Prvý typ sondy, nazývaný „sonda s nízkou divergenciou (LD)“, vysiela lúč s nízkou divergenciou z jednej stopky. Jedna sonda s nízkou divergenciou má 16 rovnomerných mriežok a 18 elektród. Druhý typ sondy, nazývaný „sonda svetelného plátu (LS)“, môže vyžarovať svetelný plát na optickú stimuláciu-siete v špecifickej hĺbke. Jedna svetelná listová sonda má 4 drieky sondy s dĺžkou 4 mm a 5 svetelných plošných žiaričov. Svetelná vrstva je tvorená prekrývajúcimi sa emisiami 8 mriežkových žiaričových polí na 4 stopkách sondy.
Charakterizácia sond
V experimentoch in vivo môžu sonda s nízkou{0}}divergenciou a sonda so svetelnou vrstvou{1} selektívne stimulovať neuróny v rôznych hĺbkach kôry. Planárne vyžarovanie lúča svetelnej-vrstvovej sondy poskytuje širšie pokrytie lúčom a stimuluje neuróny okolo štyroch ramien sondy. Okrem toho v porovnaní so sondou s nízkou -divergenciou sonda so svetlom-vrstvy vyvoláva silnejšiu elektrofyziologickú odozvu pri nižšej výstupnej intenzite, o čom svedčí aj väčšia únava z rýchlosti streľby. Okrem toho môže vyvolať záchvaty v hipokampe u epileptických myších modelov pri udržiavaní očakávaného zvýšenia teploty pod<1 °C.
Ukážka priestorovo selektívnej optogenetickej stimulácie pomocou svetelnej -listovej sondy u bdelých myší a myší s fixovanou hlavou.
V modeli epileptických myší svetelná sonda-spôsobuje záchvaty v oblasti CA1 hipokampu prostredníctvom optogenetiky.
Pokiaľ je vedcom známe, táto práca je prvou demonštráciou nanofotonickej nervovej sondy. Prispôsobuje schému vyžarovania lúča prostredníctvom kombinovaných výhod vysokého výstupného výkonu a flexibilného dizajnu vysielača, čo umožňuje úplnú-reakciu siete na optogenetickú stimuláciu. Sonda so svetelnými listami navrhovaná v tomto dokumente môže slúžiť ako základný stavebný blok na pokrok vo vývoji multifunkčných nervových sond na štúdium plnej-aktivity siete, najmä dynamiky záchvatov pri výskume epilepsie.
Stručne povedané, výskumníci demonštrovali platformu fotonického integrovaného obvodu (PIC) poskytnutú zlievarňou na vývoj implantovateľných nervových sond schopných simultánne vykonávať elektrofyziologické záznamy a stimulovať vzorovým svetlom. Jedinečnosť tejto sondy spočíva v jej využití integrovanej nanofotonickej technológie na prispôsobenie vzoru vyžarovania svetla na stimuláciu rôznych objemov tkaniva. Okrem vyžarovania lúčov s nízkou-divergenciou svetelných lúčov na vyvolanie aktivity bunkových hrotov môže integrovaný žiarič svetelných listov, ktorý distribuuje emisiu svetla pozdĺž drieku sondy a vytvára planárne osvetlenie, rozšíriť aplikáciu kremíkových fotonických neurónových sond na úplné -interogovanie siete v špecifických hĺbkach. V budúcnosti by sa ďalší vývoj týchto sond na podporu vyššej emisie energie a dosiahnutie rozsiahlej distribúcie svetla mohol použiť na stimuláciu väčších oblastí mozgu u hlodavcov alebo zvierat s väčším mozgom. Prostredníctvom zlievárenskej výroby vedci očakávajú, že nová generácia multifunkčných nervových implantátov na multimodálnu nervovú stimuláciu a záznam môže byť masovo{7}}vyrobená na rozsiahle rozšírenie tejto technológie do neurovedeckej komunity.
Odkaz na papier:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3