Genetycznie zakodowane optogenetyczne efektory, inhibitory i wskaźniki fluorescencyjne są ważnymi narzędziami w neurologii. Techniki optogenetyczne umożliwiają precyzyjną manipulację obwodami nerwowymi za pomocą światła. Jednakże tłumienie światła stwarza wyzwania w zakresie dostarczania światła ukształtowanego przestrzennie, które kontroluje zakres stymulacji do głębokich obszarów mózgu.
Według MEMS Consulting naukowcy z Instytutu Fizyki Mikrostruktur im. Maxa Plancka w Niemczech pokonali to wyzwanie dzięki wszczepialnej krzemowej sondzie neuronowej ze zintegrowanymi mikroelektrodami i obwodami nanofotonicznymi wyprodukowanymi w odlewni. Sonda ta może emitować zaprojektowane wzory wiązek o wystarczająco dużej mocy, aby stymulować aktywność neuronalną, od impulsów komórkowych po pełne-reakcje sieci. W eksperymentach in vivo oceniano sondy emitujące wiązki o małej-rozbieżności lub płaskie arkusze świetlne, które mogą selektywnie stymulować neurony na różnych głębokościach. Porównanie wywołanych przez nie odpowiedzi impulsowych pokazuje, że w porównaniu z sondą o niskiej-dywergencji, sonda arkusza świetlnego może powodować wyższy stopień zmęczenia szybkością wyzwalania przy niższych intensywnościach światła. Sonda z arkusza świetlnego może również wywoływać drgawki w hipokampie mysiego modelu padaczki, utrzymując jednocześnie wzrost temperatury w granicach 1 stopnia. Integracja dodatkowych urządzeń, takich jak multipleksery długości fal i fotodetektory, może umożliwić powstanie wielofunkcyjnego implantu do wielo-modalnego mapowania aktywności mózgu. Wyniki badań na ten temat opublikowano w czasopiśmienpj Biosensjapod tytułem „Wszczepialne nanofotoniczne sondy neuronowe do zintegrowanej fotostymulacji wzorzystej i rejestracji elektrofizjologicznej”.
Zaproponowany w tym artykule nanofotoniczny układ sondy neuronowej pokazano na poniższym rysunku. Sonda jest pasywna i wykorzystuje-nieukładowe źródło lasera oraz elektronikę rejestrującą, aby zminimalizować ryzyko nagrzania tkanki. Każda sonda jest podłączona do zewnętrznego systemu skanowania laserowego i płytki drukowanej do gromadzenia danych elektrofizjologicznych w celu jednoczesnej stymulacji optycznej i rejestracji elektrofizjologicznej. Nanofotoniczne sondy neuronowe wytworzono na płytkach krzemowych o średnicy 200-mm przy użyciu litografii w głębokim ultrafiolecie (DUV) w Advanced Micro Foundry.
Schemat koncepcyjny układu nanofotonicznej sondy neuronowej
Sonda ta składa się z pojedynczej warstwy azotku krzemu (SiN) stosowanej w światłowodach i trzech warstw okablowania z aluminium (Al). Azotek tytanu (TiN) służy do tworzenia biokompatybilnych mikroelektrod powierzchniowych. Dzięki procesowi szlifowania płytek w odlewni, po którym następuje-polerowanie po obróbce, grubość sondy można zmniejszyć do 40 - 60 µm.
Przegląd sond neuronowych zintegrowanych z mikroelektrodami
Aby zademonstrować możliwość dostosowania wzorca emisji wiązki, badacze zaprojektowali sondy z dwiema różnymi siatkami. Sonda pierwszego typu, zwana „sondą o niskiej rozbieżności (LD)”, emituje wiązkę o małej rozbieżności z pojedynczego trzonu. Jedna sonda o niskiej rozbieżności ma 16 jednolitych siatek i 18 elektrod. Drugi typ sondy, zwany „sondą świetlną (LS)”, może emitować arkusz świetlny w celu stymulacji optycznej w pełnym-zakresie sieci na określonej głębokości. Jedna sonda z arkuszem świetlnym ma 4 trzonki sondy o długości 4 mm i 5 emiterów z arkusza świetlnego. Arkusz świetlny jest tworzony przez nakładającą się emisję 8 siatkowych układów emiterów na 4 trzonkach sondy.
Charakterystyka sond
W eksperymentach in vivo zarówno sonda o niskiej-dywergencji, jak i sonda-arkusza świetlnego mogą selektywnie stymulować neurony na różnych głębokościach kory. Płaska emisja wiązki-sondy arkusza świetlnego zapewnia szerszy zasięg wiązki, stymulując neurony wokół czterech trzonów sondy. Dodatkowo, w porównaniu z sondą o niskiej{{5}dywergencji, sonda-z cienkiego arkusza wywołuje silniejszą odpowiedź elektrofizjologiczną przy niższym natężeniu wyjściowym, o czym świadczy silniejsze zmęczenie szybkości wyzwalania. Co więcej, może wywoływać drgawki w hipokampie modeli myszy z padaczką, utrzymując jednocześnie oczekiwany wzrost temperatury poniżej<1 °C.
Demonstracja przestrzennie selektywnej stymulacji optogenetycznej przy użyciu-sondy świetlnej u myszy obudzonych i unieruchomionych na głowie.
W modelu myszy z padaczką sonda-świetlna indukuje napady w obszarze CA1 hipokampa poprzez optogenetykę.
O ile badacze wiedzą, praca ta stanowi pierwszą demonstrację nanofotonicznej sondy neuronowej. Dostosowuje wzór emisji wiązki dzięki połączonym zaletom dużej mocy wyjściowej i elastycznej konstrukcji emitera, umożliwiając pełną-reakcję sieci na stymulację optogenetyczną. Sonda arkusza świetlnego zaproponowana w tym artykule może służyć jako podstawowy element konstrukcyjny do przyspieszenia rozwoju wielofunkcyjnych sond neuronowych do badania pełnej-aktywności sieci, zwłaszcza dynamiki napadów w badaniach nad padaczką.
Podsumowując, badacze zademonstrowali platformę-dostarczoną przez odlewnię fotonicznego układu scalonego (PIC) do opracowywania wszczepialnych sond neuronowych zdolnych do jednoczesnego wykonywania zapisów elektrofizjologicznych i stymulacji światłem wzorzystym. Wyjątkowość tej sondy polega na wykorzystaniu zintegrowanej technologii nanofotonicznej w celu dostosowania wzorca emisji światła w celu stymulacji różnych objętości tkanek. Oprócz emitowania wiązek światła o niskiej{{3}dywergencji w celu indukowania aktywności kolców komórkowych, zintegrowany emiter arkusza świetlnego, który rozprowadza emisję światła wzdłuż trzonu sondy w celu wygenerowania oświetlenia planarnego, może rozszerzyć zastosowanie krzemowych fotonicznych sond neuronowych na pełne-przeszukiwanie sieci na określonych głębokościach. W przyszłości dalszy rozwój tych sond w celu zapewnienia wyższej emisji mocy i uzyskania szerokiego rozsyłu światła będzie można wykorzystać do stymulacji większych obszarów mózgu u gryzoni lub zwierząt o większych mózgach. Naukowcy spodziewają się, że dzięki produkcji odlewniczej nowa generacja wielofunkcyjnych implantów neuronowych do multimodalnej stymulacji i rejestracji neuronów będzie mogła być produkowana masowo-w celu szerokiego rozpowszechnienia tej technologii wśród społeczności neuronaukowej.
Link do papieru:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3