Genetisch gecodeerde optogenetische effectoren, remmers en fluorescerende indicatoren zijn belangrijke hulpmiddelen in de neurowetenschappen. Optogenetische technieken maken nauwkeurige manipulatie van neurale circuits met behulp van licht mogelijk. Lichtverzwakking brengt echter uitdagingen met zich mee bij het leveren van ruimtelijk gevormd licht dat het stimulatiebereik naar diepe hersengebieden regelt.
Volgens MEMS Consulting hebben onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Microstructuurfysica in Duitsland deze uitdaging onlangs overwonnen door middel van een implanteerbare neurale sonde van silicium met geïntegreerde micro-elektroden en nanofotonische circuits vervaardigd door een gieterij. Deze sonde kan ontworpen straalpatronen uitzenden met voldoende hoog vermogen om neurale activiteiten te stimuleren, variërend van cellulaire pieken tot volledige- netwerkreacties. In vivo-experimenten evalueerden sondes die bundels met lage- divergentie of vlakke lichtplaten uitzenden, die beide selectief neuronen op verschillende diepten kunnen stimuleren. Een vergelijking van de piekreacties die ze teweegbrachten laat zien dat de lichtplaatsonde, vergeleken met de sonde met lage divergentie, een hogere mate van vermoeidheid bij de vuursnelheid kan veroorzaken bij lagere lichtintensiteiten. De lichtsonde kan ook aanvallen in de hippocampus van een muismodel voor epilepsie veroorzaken, terwijl de temperatuurstijging binnen 1 graad wordt gehouden. Het integreren van aanvullende apparaten, zoals golflengtemultiplexers en fotodetectoren, kan een multi-functioneel implantaat mogelijk maken voor het multi-modale in kaart brengen van hersenactiviteit. De gerelateerde onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschriftnpj Biosensorenonder de titel "Implanteerbare nanofotonische neurale sondes voor geïntegreerde fotostimulatie met patronen en elektrofysiologische opname".
Het nanofotonische neurale sondesysteem dat in dit artikel wordt voorgesteld, wordt weergegeven in de onderstaande figuur. De sonde is passief en maakt gebruik van een off-chiplaserbron en opname-elektronica om het risico op weefselverwarming te minimaliseren. Elke sonde is verbonden met een extern laserscansysteem en een elektrofysiologische data-acquisitieprintplaat voor gelijktijdige optische stimulatie en elektrofysiologische registratie. De nanofotonische neurale sondes werden vervaardigd op siliciumwafels met een diameter van 200- mm met behulp van diep-ultraviolette (DUV) lithografie in de Advanced Micro Foundry.
Conceptueel diagram van het nanofotonische neurale sondesysteem
Deze sonde bestaat uit een enkele laag siliciumnitride (SiN) voor optische golfgeleiders en drie lagen aluminium (Al) metaalbedradingslagen. Titaannitride (TiN) wordt gebruikt om biocompatibele oppervlakte-micro-elektroden te vormen. Door het waferback-slijpproces van de gieterij, gevolgd door polijsten na-processing, kan de dikte van de sonde worden teruggebracht tot 40 - 60 µm.
Overzicht van neurale sondes geïntegreerd met micro-elektroden
Om de mogelijkheid aan te tonen om het straalemissiepatroon aan te passen, ontwierpen de onderzoekers sondes met twee verschillende roosters. Het eerste type sonde, de "low divergentie (LD) sonde" genoemd, zendt een straal met lage divergentie uit vanuit een enkele schacht. Eén sonde met lage divergentie heeft 16 uniforme roosters en 18 elektroden. Het tweede type sonde, de "light sheet (LS) sonde" genoemd, kan een lichtvel uitzenden voor optische stimulatie over het volledige -netwerkbereik op een specifieke diepte. Eén lichtplaatsonde heeft 4 sondeschachten van 4 mm lang en 5 lichtplaatstralers. De lichtplaat wordt gevormd door de overlappende emissie van 8 rooster-emitterarrays op de 4 sondeschachten.
Karakterisering van de sondes
In in vivo experimenten kunnen zowel de sonde met lage{0}}divergentie als de sonde met licht-vel selectief neuronen op verschillende diepten van de cortex stimuleren. De vlakke bundeluitzending van de lichte-sonde zorgt voor een bredere straaldekking, waardoor de neuronen rond de vier sondeschachten worden gestimuleerd. Bovendien induceert de lichte-sonde, vergeleken met de sonde met lage-divergentie, een sterkere elektrofysiologische respons bij een lagere uitgangsintensiteit, zoals blijkt uit een sterkere vermoeidheid bij de vuursnelheid. Bovendien kan het epilepsieaanvallen veroorzaken in de hippocampus van epileptische muismodellen, terwijl de verwachte temperatuurstijging beneden peil blijft<1 °C.
Demonstratie van ruimtelijk selectieve optogenetische stimulatie met behulp van een lichte-sheetsonde bij wakkere en hoofd-gefixeerde muizen.
In het epileptische muismodel induceert de lichte-sheet-sonde via optogenetica aanvallen in het CA1-gebied van de hippocampus.
Voor zover de onderzoekers weten is dit werk de eerste demonstratie van een nanofotonische neurale sonde. Het past het straalemissiepatroon aan door de gecombineerde voordelen van een hoog uitgangsvermogen en een flexibel emitterontwerp, waardoor een volledige-netwerkrespons op optogenetische stimulatie mogelijk wordt. De in dit artikel voorgestelde lichtplaatsonde kan dienen als basisbouwsteen om de ontwikkeling van multifunctionele neurale sondes te bevorderen voor het bestuderen van volledige- netwerkactiviteit, vooral de dynamiek van aanvallen in onderzoek naar epilepsie.
Samenvattend hebben de onderzoekers een door de gieterij-geleverd fotonisch geïntegreerd circuit (PIC)-platform gedemonstreerd voor de ontwikkeling van implanteerbare neurale sondes die in staat zijn tegelijkertijd elektrofysiologische opnames en patroonlichtstimulatie uit te voeren. Het unieke van deze sonde ligt in het gebruik van geïntegreerde nanofotonica-technologie om het lichtemissiepatroon aan te passen voor het stimuleren van verschillende weefselvolumes. Naast het uitzenden van lichtstralen met lage-divergentie om cellulaire piekactiviteit te induceren, kan de geïntegreerde lichtplaatemitter, die de lichtemissie langs de schacht van de sonde verdeelt om vlakke verlichting te genereren, de toepassing van silicium fotonische neurale sondes uitbreiden tot volledige- netwerkondervraging op specifieke diepten. In de toekomst zou de verdere ontwikkeling van deze sondes ter ondersteuning van een hogere vermogensemissie en het bereiken van een wijdverspreide lichtverdeling kunnen worden gebruikt om grotere hersengebieden bij knaagdieren of dieren met grotere hersenen te stimuleren. Door middel van gieterijproductie verwachten de onderzoekers dat een nieuwe generatie multifunctionele neurale implantaten voor multimodale neurale stimulatie en registratie massaal kan worden geproduceerd- voor de wijdverbreide verspreiding van deze technologie onder de neurowetenschappelijke gemeenschap.
Papieren link:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3