Efectorii optogenetici, inhibitorii și indicatorii fluorescenți codificați genetic sunt instrumente importante în neuroștiință. Tehnicile optogenetice permit manipularea precisă a circuitelor neuronale folosind lumină. Cu toate acestea, atenuarea luminii ridică provocări pentru a furniza lumină cu formă spațială care controlează gama de stimulare în regiunile profunde ale creierului.
Potrivit MEMS Consulting, recent, cercetătorii de la Institutul Max Planck de Fizică a Microstructurii din Germania au depășit această provocare printr-o sondă neuronală implantabilă de siliciu cu microelectrozi integrați și circuite nanofotonice fabricate de o turnătorie. Această sondă poate emite modele de fascicule proiectate cu o putere suficient de mare pentru a stimula activități neuronale, de la vârfuri celulare până la răspunsuri complete-rețelei. Experimentele in vivo au evaluat sonde care emit fascicule cu-divergență scăzută sau foi de lumină plană, ambele putând stimula selectiv neuronii la diferite adâncimi. O comparație a răspunsurilor la vârf pe care le-au indus arată că, în comparație cu sonda cu-divergență scăzută, sonda foaie de lumină poate induce un grad mai mare de oboseală a ratei de tragere la intensități luminoase mai mici. Sonda foaie de lumină poate induce, de asemenea, convulsii în hipocampul unui model de șoarece de epilepsie, menținând în același timp creșterea temperaturii cu 1 grad. Integrarea dispozitivelor suplimentare, cum ar fi multiplexoarele cu lungimea de undă și fotodetectoarele, poate activa un implant multi-funcțional pentru maparea multi-modală a activității creierului. Rezultatele cercetării aferente au fost publicate în jurnalnpj Biosensingsub titlul „Probe neuronale nanofotonice implantabile pentru fotostimulare modelată integrată și înregistrare electrofiziologică”.
Sistemul de sonde neuronale nanofotonice propus în această lucrare este prezentat în figura de mai jos. Sonda este pasivă și folosește o sursă laser off-cip și electronice de înregistrare pentru a minimiza riscul de încălzire a țesuturilor. Fiecare sondă este conectată la un sistem de scanare laser extern și o placă de circuite de achiziție a datelor electrofiziologice pentru stimularea optică și înregistrarea electrofiziologică simultană. Sondele neuronale nanofotonice au fost fabricate pe plachete de siliciu cu diametrul de 200-mm folosind litografie cu ultraviolete adânci (DUV) la Advanced Micro Foundry.
Diagrama conceptuală a sistemului de sonde neuronale nanofotonice
Această sondă constă dintr-un singur strat de nitrură de siliciu (SiN) pentru ghidurile de undă optice și trei straturi de straturi de cabluri metalice din aluminiu (Al). Nitrura de titan (TiN) este utilizată pentru a forma microelectrozi de suprafață biocompatibili. Prin procesul de șlefuire din spate a plăcilor de turnătorie, urmat de lustruire post-procesare, grosimea sondei poate fi redusă la 40 - 60 µm.
Prezentare generală a sondelor neuronale integrate cu microelectrozi
Pentru a demonstra capacitatea de a personaliza modelul de emisie al fasciculului, cercetătorii au proiectat sonde cu două rețele diferite. Primul tip de sondă, numită „sondă cu divergență scăzută (LD)”, emite un fascicul cu divergență scăzută de la o singură tijă. O sondă cu divergență scăzută are 16 rețele uniforme și 18 electrozi. Cel de-al doilea tip de sondă, numită „sondă light sheet (LS)”, poate emite o foaie de lumină pentru stimularea optică cu gamă completă de-rețea la o anumită adâncime. O sondă de foaie de lumină are 4 tije de sondă care au 4 mm lungime și 5 emițători de foaie de lumină. Foaia de lumină este formată prin suprapunerea emisiei a 8 rețele emițătoare cu rețea pe cele 4 tije ale sondei.
Caracterizarea sondelor
În experimentele in vivo, atât sonda cu-divergență scăzută, cât și sonda cu foaie-luminoasă pot stimula selectiv neuronii la diferite adâncimi ale cortexului. Emisia de fascicul plan a sondei-foaia de lumină oferă o acoperire mai largă a fasciculului, stimulând neuronii din jurul celor patru tije ale sondei. În plus, în comparație cu sonda cu-divergență scăzută, sonda cu foaie-luminoasă induce un răspuns electrofiziologic mai puternic la o intensitate de ieșire mai mică, așa cum este evidențiat de o oboseală mai puternică a ratei de tragere. În plus, poate induce convulsii în hipocampul modelelor de șoareci epileptici, menținând în același timp creșterea așteptată a temperaturii sub<1 °C.
Demonstrarea stimulării optogenetice selective din punct de vedere spațial utilizând o sondă luminoasă-foaie la șoareci treji și cu cap-fixat.
În modelul de șoarece epileptic, sonda luminoasă-foaia induce crize în regiunea CA1 a hipocampului prin optogenetică.
Din câte știu cercetătorii, această lucrare este prima demonstrație a unei sonde neuronale nanofotonice. Personalizează modelul de emisie a fasciculului prin avantajele combinate ale puterii mari de ieșire și ale unui design flexibil al emițătorului, permițând un răspuns complet-rețelei la stimularea optogenetică. Sonda foaie luminoasă propusă în această lucrare poate servi ca element de bază pentru a avansa dezvoltarea sondelor neuronale multifuncționale pentru studiul activității complete-rețelei, în special dinamica crizelor în cercetarea epilepsiei.
În rezumat, cercetătorii au demonstrat o platformă de circuit integrat fotonic (PIC) furnizată de turnătorie-pentru dezvoltarea sondelor neuronale implantabile capabile să efectueze simultan înregistrări electrofiziologice și stimulare cu lumină modelată. Unicitatea acestei sonde constă în utilizarea tehnologiei nanofotonice integrate pentru a personaliza modelul de emisie de lumină pentru stimularea diferitelor volume de țesut. Pe lângă emiterea de fascicule de lumină cu-divergență scăzută pentru a induce activitatea de vârf celular, emițătorul integrat de foaie de lumină, care distribuie emisia de lumină de-a lungul tijei sondei pentru a genera iluminare plană, poate extinde aplicarea sondelor neuronale fotonice cu siliciu la interogarea completă-rețelei la adâncimi specifice. În viitor, dezvoltarea ulterioară a acestor sonde pentru a susține emisia de putere mai mare și a obține o distribuție pe scară largă a luminii ar putea fi utilizată pentru a stimula regiuni mai mari ale creierului la rozătoare sau animale cu creier mai mare. Prin producția de turnătorie, cercetătorii se așteaptă ca o nouă generație de implanturi neuronale multifuncționale pentru stimularea și înregistrarea neuronală multimodală să poată fi produsă în masă-pentru diseminarea pe scară largă a acestei tehnologii în comunitatea neuroștiințifică.
Link de hârtie:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3