Geneticky kódované optogenetické efektory, inhibitory a fluorescenční indikátory jsou důležitými nástroji neurovědy. Optogenetické techniky umožňují přesnou manipulaci s nervovými obvody pomocí světla. Útlum světla však představuje výzvu pro dodávání prostorově tvarovaného světla, které řídí rozsah stimulace do hlubokých oblastí mozku.
Podle MEMS Consulting nedávno výzkumníci z Max Planck Institute of Microstructure Physics v Německu překonali tento problém pomocí implantovatelné křemíkové neurální sondy s integrovanými mikroelektrodami a nanofotonickými obvody vyrobenými ve slévárně. Tato sonda může vysílat navržené vzory paprsků s dostatečně vysokým výkonem ke stimulaci nervových aktivit od buněčných špiček až po úplné -síťové odezvy. Experimenty in vivo hodnotily sondy, které vyzařují nízko-divergenční paprsky nebo planární světelné pláty, z nichž oba mohou selektivně stimulovat neurony v různých hloubkách. Srovnání reakcí na špičky, které vyvolali, ukazuje, že ve srovnání se sondou s nízkou -divergencí může sonda lehkého plátu vyvolat vyšší stupeň únavy při rychlosti vypalování při nižších intenzitách světla. Sonda lehkého plátu může také vyvolat záchvaty v hipokampu u myšího modelu epilepsie při udržování zvýšení teploty do 1 stupně. Integrace dalších zařízení, jako jsou multiplexory vlnových délek a fotodetektory, může umožnit multi-funkční implantát pro multi{10}}modální mapování mozkové aktivity. Výsledky souvisejícího výzkumu byly publikovány v časopisenpj Biosensingpod názvem „Implantovatelné nanofotonické neurální sondy pro integrovanou vzorovanou fotostimulaci a elektrofyziologický záznam“.
Systém nanofotonových neurálních sond navrhovaný v tomto článku je znázorněn na obrázku níže. Sonda je pasivní a využívá vypnutý-čipový laserový zdroj a záznamovou elektroniku, aby se minimalizovalo riziko zahřívání tkáně. Každá sonda je připojena k externímu laserovému skenovacímu systému a desce s obvody pro sběr elektrofyziologických dat pro současnou optickou stimulaci a elektrofyziologický záznam. Nanofotonické neurální sondy byly vyrobeny na křemíkových destičkách o průměru 200 - mm pomocí hluboké ultrafialové (DUV) litografie v Advanced Micro Foundry.
Konceptuální schéma systému nanofotonových neurálních sond
Tato sonda se skládá z jedné vrstvy nitridu křemíku (SiN) pro optické vlnovody a tří vrstev hliníkových (Al) kovových vodičových vrstev. Nitrid titanu (TiN) se používá k vytvoření biokompatibilních povrchových mikroelektrod. Prostřednictvím procesu zpětného broušení plátků ve slévárně následovaného-leštěním po zpracování lze tloušťku sondy snížit na 40 - 60 µm.
Přehled neuronových sond integrovaných s mikroelektrodami
Aby vědci demonstrovali schopnost přizpůsobit emisní vzor paprsku, navrhli sondy se dvěma různými mřížkami. První typ sondy, nazývaný „sonda s nízkou divergenci (LD)“, vysílá paprsek s nízkou divergenci z jedné stopky. Jedna sonda s nízkou divergenci má 16 jednotných mřížek a 18 elektrod. Druhý typ sondy, nazývaný „sonda světelného plátu (LS)“, může vyzařovat světelný plát pro optickou stimulaci v plném-rozsahu sítě ve specifické hloubce. Jedna světelná listová sonda má 4 dříky sondy dlouhé 4 mm a 5 světelných listových zářičů. Světelný list je tvořen překrývající se emisí 8 mřížkových emitorových polí na 4 stopkách sondy.
Charakterizace sond
V experimentech in vivo mohou jak sonda s nízkou{0}}divergencí, tak sonda se světelným{1} listem selektivně stimulovat neurony v různých hloubkách kůry. Vyzařování planárního paprsku světelné-vrstvové sondy poskytuje širší pokrytí paprskem a stimuluje neurony kolem čtyř dříků sondy. Kromě toho ve srovnání se sondou s nízkou -rozbíhavostí, sonda z lehkého- listu vyvolává silnější elektrofyziologickou odezvu při nižší výstupní intenzitě, o čemž svědčí silnější únava z rychlosti výpalu. Kromě toho může vyvolat záchvaty v hipokampu u epileptických myších modelů při udržování očekávaného zvýšení teploty pod<1 °C.
Ukázka prostorově selektivní optogenetické stimulace pomocí světelné -listové sondy u myší v bdělém stavu a na hlavě-.
V modelu epileptické myši indukuje světelná-vrstva pomocí optogenetiky záchvaty v oblasti CA1 hipokampu.
Pokud vědci vědí, tato práce je první demonstrací nanofotonové neurální sondy. Přizpůsobuje schéma vyzařování paprsku pomocí kombinovaných výhod vysokého výstupního výkonu a flexibilního designu emitoru, což umožňuje plnou-síťovou odezvu na optogenetickou stimulaci. Lehká listová sonda navržená v tomto článku může sloužit jako základní stavební blok pro pokrok ve vývoji multifunkčních neuronových sond pro studium plné-síťové aktivity, zejména dynamiky záchvatů ve výzkumu epilepsie.
Souhrnně řečeno, výzkumníci předvedli platformu s fotonickým integrovaným obvodem (PIC) poskytovanou slévárnou- pro vývoj implantabilních neurálních sond schopných současně provádět elektrofyziologické záznamy a stimulaci vzorovaným světlem. Jedinečnost této sondy spočívá v jejím využití integrované nanofotonické technologie k přizpůsobení vzoru emise světla pro stimulaci různých objemů tkání. Kromě vyzařování nízko-divergenčních světelných paprsků k vyvolání aktivity buněčných špiček může integrovaný emitor světelné vrstvy, který distribuuje emisi světla podél dříku sondy a vytváří planární osvětlení, rozšířit použití křemíkových fotonických neuronových sond na úplné -dotazování sítě v konkrétních hloubkách. V budoucnu by další vývoj těchto sond na podporu vyšší energetické emise a dosažení široké distribuce světla mohl být použit ke stimulaci větších oblastí mozku u hlodavců nebo zvířat s větším mozkem. Prostřednictvím slévárenské výroby vědci očekávají, že nová generace multifunkčních nervových implantátů pro multimodální nervovou stimulaci a záznam může být hromadně-produkována za účelem širokého rozšíření této technologie do neurovědecké komunity.
Odkaz na papír:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3