A genetikailag kódolt optogenetikai effektorok, inhibitorok és fluoreszcens indikátorok fontos eszközök az idegtudományban. Az optogenetikai technikák lehetővé teszik az idegi áramkörök precíz manipulálását fény segítségével. A fénycsillapítás azonban kihívások elé állítja a térbeli alakú fényt, amely szabályozza a stimuláció tartományát a mély agyi régiókban.
A MEMS Consulting szerint a közelmúltban a németországi Max Planck Mikrostruktúrafizikai Intézet kutatói egy öntöde által gyártott, integrált mikroelektródákkal és nanofotonikus áramkörökkel ellátott, beültethető szilícium neurális szondával küzdöttek le ezen a kihíváson. Ez a szonda kellően nagy teljesítménnyel tervezett sugármintákat tud kibocsátani ahhoz, hogy stimulálja az idegi tevékenységeket, a celluláris tüskéktől a teljes -hálózati válaszokig. Az in vivo kísérletek során olyan szondákat értékeltek, amelyek alacsony-divergencia sugarakat vagy sík fénylapokat bocsátanak ki, amelyek mindegyike képes szelektíven stimulálni a különböző mélységű neuronokat. Az általuk kiváltott tüskereakciók összehasonlítása azt mutatja, hogy az alacsony -divergencia szondához képest a fénylap szonda alacsonyabb fényintenzitás mellett nagyobb fokú tüzelési sebesség-fáradást válthat ki. A fénylapos szonda az epilepsziás egérmodell hippokampuszában is rohamokat válthat ki, miközben a hőmérséklet-emelkedést 1 fokon belül tartja. További eszközök, például hullámhossz-multiplexerek és fotodetektorok integrálása lehetővé teszi a több-funkciós beültetést a több-modális agytevékenység feltérképezéséhez. A kapcsolódó kutatási eredmények a folyóiratban jelentek megnpj Bioérzékelés"Beültethető nanofoton neurális szondák integrált mintázott fotostimulációhoz és elektrofiziológiai rögzítéshez" címmel.
Az ebben a cikkben javasolt nanofotonikus idegszonda rendszer az alábbi ábrán látható. A szonda passzív, és kikapcsolt-chip lézerforrást és rögzítő elektronikát használ a szövetek felmelegedésének kockázatának minimalizálása érdekében. Mindegyik szonda egy külső lézeres letapogató rendszerhez és egy elektrofiziológiai adatgyűjtő áramkörhöz csatlakozik az egyidejű optikai stimuláció és elektrofiziológiai rögzítés érdekében. A nanofotonikus idegszondákat 200 - mm átmérőjű szilícium lapkákon készítették mély ultraibolya (DUV) litográfiával az Advanced Micro Foundryban.
A nanofotonikus idegszonda rendszer fogalmi diagramja
Ez a szonda egyetlen réteg szilícium-nitridből (SiN) áll az optikai hullámvezetők számára és három réteg alumínium (Al) fém huzalozási rétegből. A titán-nitridet (TiN) biokompatibilis felületi mikroelektródák kialakítására használják. Az öntödei ostya-visszacsiszolási folyamattal, majd a feldolgozás utáni-polírozásával a szonda vastagsága 40 - 60 µm-re csökkenthető.
A mikroelektródákkal integrált neurális szondák áttekintése
A sugárkibocsátási mintázat testreszabásának bizonyítására a kutatók két különböző ráccsal rendelkező szondákat terveztek. Az első típusú szonda, az úgynevezett "alacsony divergenciájú (LD) szonda", egyetlen szárból kis divergenciájú sugarat bocsát ki. Egy alacsony divergenciájú szondán 16 egyenletes rács és 18 elektróda található. A második típusú szonda, az úgynevezett "light sheet (LS) szonda", fénylapot bocsát ki a teljes -hálózati hatótávolságú optikai stimulációhoz egy adott mélységben. Egy fénylap-szondának 4 szondaszára van, amelyek 4 mm hosszúak, és 5 fénylap-kibocsátó. A fénylapot a 4 szondaszáron lévő 8 rács emittersor átfedő emissziója képezi.
A szondák jellemzése
Az in vivo kísérletekben mind az alacsony-divergencia, mind a könnyű-lapos szonda szelektíven stimulálhatja a kéreg különböző mélységein lévő neuronokat. A fény-lapos szonda síksugár-kibocsátása szélesebb sugárlefedettséget biztosít, stimulálva a négy szondaszár körüli neuronokat. Ezenkívül az alacsony-divergencia szondához képest a fény-lapos szonda erősebb elektrofiziológiai választ indukál alacsonyabb kimeneti intenzitás mellett, amit az erősebb tüzelési sebességű fáradtság bizonyít. Ezenkívül görcsrohamokat válthat ki epilepsziás egérmodellek hippokampuszában, miközben a várt hőmérséklet-emelkedés alatt marad.<1 °C.
A térben szelektív optogenetikai stimuláció bemutatása fény{0}}lapos szondával éber és fej{1}}rögzített egerekben.
Az epilepsziás egérmodellben a fény{0}}lapos szonda az optogenetika révén rohamokat indukál a hippocampus CA1 régiójában.
A kutatók tudomása szerint ez a munka egy nanofotonikus idegszonda első bemutatója. Testreszabja a sugárkibocsátási mintát a nagy kimeneti teljesítmény és a rugalmas emitter-kialakítás kombinált előnyei révén, lehetővé téve az optogenetikai stimulációra adott teljes -hálózati választ. Az ebben a cikkben javasolt fénylapos szonda alapvető építőelemként szolgálhat a többfunkciós neurális szondák fejlesztésének előmozdításához a teljes hálózati tevékenység tanulmányozására, különösen a rohamok dinamikájának tanulmányozására az epilepsziakutatásban.
Összefoglalva, a kutatók bemutattak egy öntödei{0}}fotonikus integrált áramköri (PIC) platformot olyan beültethető idegszondák kifejlesztésére, amelyek egyszerre képesek elektrofiziológiai felvételeket és mintás fénystimulációt végezni. Ennek a szondának az egyedisége abban rejlik, hogy integrált nanofotonikai technológiát alkalmaz a fényemissziós mintázat testreszabására a különböző szövettérfogatok stimulálásához. Amellett, hogy alacsony-divergencia fénysugarat bocsát ki a sejttüskék aktivitásának kiváltására, az integrált fénylap-kibocsátó, amely a fénykibocsátást a szonda szára mentén osztja el, hogy síkbeli megvilágítást hozzon létre, kiterjesztheti a szilícium fotonikus neurális szondák alkalmazását a teljes -hálózati lekérdezésre bizonyos mélységekben. A jövőben ezeknek a szondáknak a nagyobb teljesítményű emisszió támogatása és a széles körű fényeloszlás elérése érdekében történő továbbfejlesztése rágcsálók vagy nagyobb agyú állatok nagyobb agyi régióinak stimulálására használható. Az öntödei gyártás révén a kutatók arra számítanak, hogy a multimodális idegi stimulációra és rögzítésre szolgáló többfunkciós idegimplantátumok új generációja tömegesen-előállítható, hogy széles körben elterjesszék ezt a technológiát az idegtudományi közösségben.
Papír link:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3