Ģenētiski kodēti optoģenētiskie efektori, inhibitori un fluorescējošie indikatori ir svarīgi instrumenti neirozinātnē. Optoģenētiskās metodes ļauj precīzi manipulēt ar neironu ķēdēm, izmantojot gaismu. Tomēr gaismas vājināšanās rada problēmas, lai nodrošinātu telpiskas formas gaismu, kas kontrolē stimulācijas diapazonu dziļajos smadzeņu reģionos.
Saskaņā ar MEMS Consulting, nesen pētnieki no Maksa Planka Mikrostruktūru fizikas institūta Vācijā ir pārvarējuši šo izaicinājumu, izmantojot implantējamu silīcija neironu zondi ar integrētiem mikroelektrodiem un nanofotoniskām shēmām, ko ražo lietuve. Šī zonde var izstarot izstrādātus staru modeļus ar pietiekami lielu jaudu, lai stimulētu neironu aktivitātes, sākot no šūnu lēcieniem līdz pilnām-tīkla reakcijām. In vivo eksperimentos tika novērtētas zondes, kas izstaro zemas-diverģences starus vai plakanas gaismas loksnes, kuras abas var selektīvi stimulēt neironus dažādos dziļumos. To izraisīto smailes reakciju salīdzinājums parāda, ka, salīdzinot ar zemas-diverģences zondi, gaismas loksnes zonde var izraisīt lielāku šaušanas ātruma nogurumu pie zemākas gaismas intensitātes. Gaismas lokšņu zonde var izraisīt arī krampjus epilepsijas peles modeļa hipokampā, vienlaikus saglabājot temperatūras paaugstināšanos 1 grāda robežās. Papildu ierīču, piemēram, viļņu garuma multipleksoru un fotodetektoru, integrēšana var iespējot daudzfunkcionālu implantu vairāku veidu smadzeņu darbības kartēšanai. Saistītie pētījumu rezultāti tika publicēti žurnālānpj Biosensingar nosaukumu "Implantējamās nanofotoniskās neironu zondes integrētai rakstainai fotostimulācijai un elektrofizioloģiskai ierakstīšanai".
Šajā rakstā piedāvātā nanofotoniskā neironu zondes sistēma ir parādīta zemāk esošajā attēlā. Zonde ir pasīva un izmanto izslēgtu-čipu lāzera avotu un ierakstīšanas elektroniku, lai samazinātu audu uzkaršanas risku. Katra zonde ir savienota ar ārēju lāzerskenēšanas sistēmu un elektrofizioloģisko datu ieguves shēmas plati vienlaicīgai optiskai stimulācijai un elektrofizioloģiskai ierakstīšanai. Nanofotoniskās neironu zondes tika izgatavotas uz 200 - mm diametra silīcija plāksnēm, izmantojot dziļo ultravioleto (DUV) litogrāfiju Advanced Micro Foundry.
Nanofotoniskās neironu zondes sistēmas konceptuālā diagramma
Šī zonde sastāv no viena silīcija nitrīda (SiN) slāņa optiskajiem viļņvadiem un trīs alumīnija (Al) metāla vadu slāņiem. Titāna nitrīdu (TiN) izmanto bioloģiski saderīgu virsmas mikroelektrodu veidošanai. Izmantojot lietuves vafeļu atpakaļ slīpēšanas procesu, kam seko pēc-apstrādes pulēšana, zondes biezumu var samazināt līdz 40 - 60 µm.
Pārskats par neironu zondēm, kas integrētas ar mikroelektrodiem
Lai demonstrētu spēju pielāgot staru emisijas modeli, pētnieki izstrādāja zondes ar diviem dažādiem režģiem. Pirmā veida zonde, ko sauc par "zemas novirzes (LD) zondi", izstaro zemas novirzes staru kūli no viena kāta. Vienai zemas novirzes zondei ir 16 vienādi režģi un 18 elektrodi. Otra veida zonde, ko sauc par "gaismas loksnes (LS) zondi", var izstarot gaismas loksni pilna -tīkla diapazona optiskai stimulācijai noteiktā dziļumā. Vienai gaismas loksnes zondei ir 4 zondes kāti, kas ir 4 mm gari, un 5 gaismas loksnes izstarotāji. Gaismas loksne veidojas, pārklājoties 8 režģa emiteru blokiem uz 4 zondes kātiem.
Zondu raksturojums
In vivo eksperimentos gan zemas-diverģences zonde, gan gaismas-loksnes zonde var selektīvi stimulēt neironus dažādos garozas dziļumos. Gaismas-loksnes zondes plakanā stara emisija nodrošina plašāku staru kūļa pārklājumu, stimulējot neironus ap četriem zondes kātiem. Turklāt, salīdzinot ar zemas-diverģences zondi, gaismas-loksnes zonde izraisa spēcīgāku elektrofizioloģisko reakciju ar zemāku izvades intensitāti, par ko liecina spēcīgāks šaušanas ātruma nogurums. Turklāt tas var izraisīt krampjus epilepsijas peļu modeļu hipokampā, vienlaikus saglabājot paredzamo temperatūras paaugstināšanos zemāk par<1 °C.
Telpiski selektīvās optoģenētiskās stimulācijas demonstrēšana, izmantojot gaismas{0}}loksnes zondi nomodā un ar galvu{1}}fiksētām pelēm.
Epilepsijas peles modelī gaismas{0}}loksnes zonde ar optoģenētikas palīdzību izraisa krampjus hipokampa CA1 reģionā.
Cik pētnieki zina, šis darbs ir pirmais nanofotoniskās neironu zondes demonstrējums. Tas pielāgo staru kūļa izstarojuma modeli, izmantojot apvienotās priekšrocības, ko sniedz liela izejas jauda un elastīgs emitētāja dizains, nodrošinot pilnīgu -tīkla reakciju uz optoģenētisko stimulāciju. Šajā rakstā piedāvātā gaismas lokšņu zonde var kalpot kā pamatelements, lai veicinātu daudzfunkcionālu neironu zondu izstrādi, lai pētītu pilnu -tīkla darbību, īpaši krampju dinamiku epilepsijas pētījumos.
Rezumējot, pētnieki ir pierādījuši lietuvju{0}}fotoniskās integrālās shēmas (PIC) platformu, lai izstrādātu implantējamas neironu zondes, kas spēj vienlaicīgi veikt elektrofizioloģiskos ierakstus un rakstainas gaismas stimulāciju. Šīs zondes unikalitāte slēpjas tajā integrētās nanofotonikas tehnoloģijas izmantošanā, lai pielāgotu gaismas emisijas modeli dažādu audu tilpumu stimulēšanai. Papildus zemas-diverģences gaismas staru izstarošanai, lai izraisītu šūnu smailes aktivitāti, integrētais gaismas loksnes emitētājs, kas izplata gaismas emisiju gar zondes kātu, lai radītu plakanu apgaismojumu, var paplašināt silīcija fotonisko neironu zondes izmantošanu līdz pilnīgai-tīkla nopratināšanai noteiktos dziļumos. Nākotnē šo zondu tālāku attīstību, lai atbalstītu lielākas jaudas emisijas un panāktu plašu gaismas izplatību, varētu izmantot, lai stimulētu lielākus smadzeņu reģionus grauzējiem vai dzīvniekiem ar lielākām smadzenēm. Izmantojot lietuvju ražošanu, pētnieki sagaida, ka var masveidā ražot jaunas paaudzes daudzfunkcionālus neironu implantus multimodālai nervu stimulēšanai un ierakstīšanai, lai plaši izplatītu šo tehnoloģiju neirozinātņu aprindās.
Papīra saite:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3