Genetsko kodirani optogenetski efektorji, inhibitorji in fluorescentni indikatorji so pomembna orodja v nevroznanosti. Optogenetske tehnike omogočajo natančno manipulacijo nevronskih vezij s pomočjo svetlobe. Vendar dušenje svetlobe predstavlja izziv pri zagotavljanju prostorsko oblikovane svetlobe, ki nadzoruje obseg stimulacije globokih možganskih regij.
Po mnenju MEMS Consulting so pred kratkim raziskovalci z Inštituta za fiziko mikrostrukture Maxa Plancka v Nemčiji premagali ta izziv z implantabilno silikonsko nevronsko sondo z integriranimi mikroelektrodami in nanofotoničnimi vezji, ki jih je izdelala livarna. Ta sonda lahko oddaja zasnovane vzorce žarkov z dovolj veliko močjo, da stimulira nevronske aktivnosti, ki segajo od celičnih konic do popolnih-odzivov omrežja. Poskusi in vivo so ocenjevali sonde, ki oddajajo nizko-divergenčne žarke ali ravne svetlobne plošče, ki lahko selektivno stimulirajo nevrone na različnih globinah. Primerjava koničastih odzivov, ki so jih sprožili, kaže, da lahko v primerjavi s sondo z nizko-divergenco svetlobna sonda povzroči višjo stopnjo utrujenosti hitrosti proženja pri nižjih jakostih svetlobe. Sonda s svetlobno ploščo lahko povzroči napade v hipokampusu mišjega modela epilepsije, medtem ko dvig temperature ohranja znotraj 1 stopinje. Integracija dodatnih naprav, kot so multiplekserji valovnih dolžin in fotodetektorji, lahko omogoči več-funkcionalni vsadek za več-modalno preslikavo možganske aktivnosti. Povezani rezultati raziskave so bili objavljeni v revijinpj Biosensingpod naslovom "Implantabilne nanofotonične nevralne sonde za integrirano vzorčasto fotostimulacijo in elektrofiziološko snemanje".
Sistem nanofotonske nevronske sonde, predlagan v tem dokumentu, je prikazan na spodnji sliki. Sonda je pasivna in uporablja-laserski vir zunaj čipa in snemalno elektroniko za zmanjšanje tveganja segrevanja tkiva. Vsaka sonda je povezana z zunanjim sistemom laserskega skeniranja in vezjem za zajemanje elektrofizioloških podatkov za hkratno optično stimulacijo in elektrofiziološko snemanje. Nanofotonske nevronske sonde so bile izdelane na silicijevih rezinah s premerom 200 - mm z uporabo globoke ultravijolične (DUV) litografije v Advanced Micro Foundry.
Konceptualni diagram sistema nanofotonske nevronske sonde
Ta sonda je sestavljena iz ene plasti silicijevega nitrida (SiN) za optične valovode in treh plasti aluminijastih (Al) kovinskih plasti ožičenja. Titanov nitrid (TiN) se uporablja za izdelavo biokompatibilnih površinskih mikroelektrod. S postopkom zadnjega brušenja rezin v livarni, ki mu sledi poliranje po-obdelavi, je mogoče debelino sonde zmanjšati na 40 - 60 µm.
Pregled nevronskih sond, integriranih z mikroelektrodami
Za prikaz zmožnosti prilagajanja vzorca oddajanja žarka so raziskovalci oblikovali sonde z dvema različnima rešetkama. Prva vrsta sonde, imenovana "sonda nizke divergence (LD)", oddaja nizkodivergenčni žarek iz enega stebla. Ena sonda z nizko divergenco ima 16 enotnih rešetk in 18 elektrod. Druga vrsta sonde, imenovana "sonda svetlobne plošče (LS)", lahko oddaja svetlobno ploščo za optično stimulacijo celotnega-omrežnega razpona na določeni globini. Ena svetlobna sonda ima 4 stebla sonde, dolge 4 mm, in 5 svetlobnih oddajnikov. Svetlobna plošča je oblikovana s prekrivajočim sevanjem 8 rešetkastih oddajnih nizov na 4 steblih sonde.
Karakterizacija sond
V poskusih in vivo lahko sonda z nizko-divergenco in sonda s svetlobno-ploščico selektivno stimulirata nevrone na različnih globinah korteksa. Planarna emisija žarka svetlobne-ploščeste sonde zagotavlja širšo pokritost žarka in stimulira nevrone okoli štirih stebel sonde. Poleg tega v primerjavi s sondo z nizko-divergenco sonda s svetlobno-ploščo inducira močnejši elektrofiziološki odziv pri nižji izhodni intenzivnosti, kar dokazuje močnejša utrujenost hitrosti proženja. Poleg tega lahko povzroči epileptične napade v hipokampusu epileptičnih mišjih modelov, medtem ko ohranja pričakovano povišanje temperature pod<1 °C.
Prikaz prostorsko selektivne optogenetske stimulacije z uporabo svetlobne-sonde v obliki pločevine pri budnih in-fiksiranih miših.
V modelu epileptične miši sonda s svetlobno-plastjo povzroči epileptične napade v CA1 regiji hipokampusa prek optogenetike.
Kolikor vedo raziskovalci, je to delo prva predstavitev nanofotonske nevronske sonde. Prilagodi vzorec oddajanja žarka s kombiniranimi prednostmi visoke izhodne moči in prilagodljive zasnove oddajnika, kar omogoča popoln-mrežni odziv na optogenetsko stimulacijo. Svetlobna sonda, predlagana v tem dokumentu, lahko služi kot osnovni gradnik za pospeševanje razvoja večnamenskih nevronskih sond za preučevanje celotne-omrežne aktivnosti, zlasti dinamike napadov pri raziskavah epilepsije.
Če povzamemo, raziskovalci so prikazali livarsko platformo fotonskega integriranega vezja (PIC) za razvoj vsadljivih nevronskih sond, ki lahko hkrati izvajajo elektrofiziološka snemanja in vzorčno svetlobno stimulacijo. Edinstvenost te sonde je v uporabi integrirane tehnologije nanofotonike za prilagoditev vzorca svetlobne emisije za stimulacijo različnih volumnov tkiva. Poleg oddajanja svetlobnih žarkov z nizko-divergenco za induciranje celične konične aktivnosti lahko integrirani oddajnik svetlobne plošče, ki porazdeli svetlobno emisijo vzdolž stebla sonde za ustvarjanje ravninske osvetlitve, razširi uporabo silicijevih fotonskih nevronskih sond na popolno-mrežno zasliševanje na določenih globinah. V prihodnosti bi lahko nadaljnji razvoj teh sond za podporo večjim emisijam moči in doseganje široke porazdelitve svetlobe uporabili za stimulacijo večjih možganskih regij pri glodavcih ali živalih z večjimi možgani. Z livarsko proizvodnjo raziskovalci pričakujejo, da bo mogoče množično -proizvesti novo generacijo večnamenskih nevronskih vsadkov za multimodalno nevronsko stimulacijo in snemanje za široko razširjanje te tehnologije v nevroznanstveni skupnosti.
Povezava na papir:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3