Geneettisesti koodatut optogeneettiset efektorit, estäjät ja fluoresoivat indikaattorit ovat tärkeitä työkaluja neurotieteessä. Optogeneettiset tekniikat mahdollistavat hermopiirien tarkan manipuloinnin valolla. Valonvaimennus asettaa kuitenkin haasteita toimittamaan spatiaalisesti muotoiltua valoa, joka ohjaa stimulaatioaluetta aivojen syville alueille.
MEMS Consultingin mukaan Saksan Max Planck Institute of Microstructure Physics -instituutin tutkijat ovat äskettäin voineet tämän haasteen implantoitavalla piihermosoettimella, jossa on integroidut mikroelektrodit ja valimon valmistamat nanofotoniset piirit. Tämä anturi voi lähettää suunniteltuja sädekuvioita riittävän suurella teholla stimuloimaan hermotoimintaa solun piikeistä täysiin -verkkovasteisiin. In vivo -kokeissa arvioitiin koettimia, jotka lähettävät matalan -hajoamisen säteitä tai tasomaisia valolevyjä, jotka molemmat voivat stimuloida selektiivisesti hermosoluja eri syvyyksillä. Heidän aiheuttamiensa piikkivasteiden vertailu osoittaa, että verrattuna matalan -hajoamisen anturiin, valolevyn anturi voi aiheuttaa suuremman polttonopeuden väsymisen alhaisemmilla valon intensiteetillä. Kevytlevykoetin voi myös aiheuttaa kohtauksia epilepsiahiirimallin hippokampuksessa pitäen samalla lämpötilan nousun 1 asteen sisällä. Lisälaitteiden, kuten aallonpituusmultiplekserien ja valoilmaisimien, integroiminen voi mahdollistaa moni-toimivan implantin multimodaalisen aivotoiminnan kartoitukseen. Asiaan liittyvät tutkimustulokset julkaistiin lehdessänpj Biosensingotsikolla "Istutettavat nanofotoniset hermokoettimet integroituun kuviolliseen fotostimulaatioon ja sähköfysiologiseen tallennukseen".
Tässä artikkelissa ehdotettu nanofotoninen hermoston koetinjärjestelmä on esitetty alla olevassa kuvassa. Anturi on passiivinen ja käyttää off-sirun laserlähdettä ja tallennuselektroniikkaa minimoimaan kudosten kuumenemisriskin. Jokainen anturi on kytketty ulkoiseen laserskannausjärjestelmään ja sähköfysiologiseen tiedonkeruupiirilevyyn samanaikaista optista stimulaatiota ja sähköfysiologista tallennusta varten. Nanofotoniset hermokoettimet valmistettiin halkaisijaltaan 200 - mm piikiekoilla käyttämällä syvä ultravioletti (DUV) litografiaa Advanced Micro Foundryssa.
Käsitteellinen kaavio nanofotonisesta hermosoetinjärjestelmästä
Tämä anturi koostuu yhdestä piinitridikerroksesta (SiN) optisia aaltoputkia varten ja kolmesta alumiini (Al) metallijohdotuskerroksesta. Titaaninitridiä (TiN) käytetään bioyhteensopivien pintamikroelektrodien muodostamiseen. Valimon kiekkojen takaisinhiontaprosessilla, jota seuraa jälki-käsittelyn kiillotus, anturin paksuus voidaan pienentää 40 - 60 µm:iin.
Yleiskatsaus mikroelektrodeihin integroiduista hermoanturia
Osoittaakseen kyvyn mukauttaa säteen emissiokuviota tutkijat suunnittelivat anturit kahdella eri ritilällä. Ensimmäisen tyyppinen koetin, nimeltään "low Divergence (LD) -sondi", lähettää matalan hajoamisen säteen yhdestä varresta. Yhdessä matalan hajaantumisen mittapäässä on 16 tasaista hilaa ja 18 elektrodia. Toinen anturityyppi, jota kutsutaan "light sheet (LS) -anturiksi", voi lähettää valolevyn täyden -verkkoalueen optista stimulaatiota varten tietyssä syvyydessä. Yhdessä valolevysondissa on 4 anturin vartta, jotka ovat 4 mm pitkiä, ja 5 valolevysäteilijää. Valolevy muodostuu 8 hilan emitteriryhmän päällekkäisestä emissiosta 4 anturin varressa.
Antureiden karakterisointi
In vivo -kokeissa sekä matalan{0}}divergenssin anturi että kevyt-levykoetin voivat stimuloida selektiivisesti hermosoluja aivokuoren eri syvyyksillä. Valokeilan tasomainen sädemissio tarjoaa laajemman säteen peiton ja stimuloi neljän anturin varren ympärillä olevia hermosoluja. Lisäksi verrattuna matalan-divergenssin anturiin valo-levyinen anturi indusoi voimakkaamman sähköfysiologisen vasteen pienemmällä lähtöintensiteetillä, mistä on osoituksena voimakkaampi laukaisunopeuden väsymys. Lisäksi se voi aiheuttaa kohtauksia epileptisten hiirimallien hippokampuksessa pitäen samalla odotetun lämpötilan nousun alle<1 °C.
Spatiaalisesti selektiivisen optogeneettisen stimulaation demonstraatio valo{0}}arkkianturin avulla valveilla ja pää{1}}kiinteillä hiirillä.
Epileptisessä hiirimallissa valo{0}}levykoetin indusoi kohtauksia aivoturson CA1-alueella optogenetiikan kautta.
Sikäli kuin tutkijat tietävät, tämä työ on ensimmäinen osoitus nanofotonisesta hermostoa. Se mukauttaa säteen emissiokuvion suuren lähtötehon ja joustavan emitterirakenteen yhdistettyjen etujen avulla, mikä mahdollistaa täyden -verkkovasteen optogeneettiseen stimulaatioon. Tässä artikkelissa ehdotettu valolevykoetin voi toimia perusrakennuspalikkana monitoimisten hermoanturien kehittämisen edistämisessä, jotta voidaan tutkia koko-verkkotoimintaa, erityisesti kohtausten dynamiikkaa epilepsiatutkimuksessa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkijat ovat osoittaneet valimon{0}}toimittaman fotonisen integroidun piirin (PIC) alustan implantoitavien hermoanturien kehittämiseen, jotka pystyvät samanaikaisesti suorittamaan sähköfysiologisia tallennuksia ja kuvioitua valostimulaatiota. Tämän anturin ainutlaatuisuus piilee integroidun nanofotoniikkateknologian hyödyntämisessä valoemissiokuvion mukauttamisessa eri kudostilavuuksien stimuloimiseksi. Sen lisäksi, että integroitu valolevysäteilijä lähettää matalan-divergenssin valonsäteitä solujen piikkiaktiivisuuden indusoimiseksi, se jakaa valon säteilyn anturin vartta pitkin tasomaisen valaistuksen aikaansaamiseksi, ja se voi laajentaa piin fotonisten hermosoluettimien käyttöä täyteen-verkkokyselyyn tietyissä syvyyksissä. Tulevaisuudessa näiden koettimien jatkokehitystä suuremman tehopäästön tukemiseksi ja laajan valon jakautumisen saavuttamiseksi voitaisiin käyttää stimuloimaan suurempia aivoalueita jyrsijöillä tai eläimillä, joilla on suuremmat aivot. Valimotuotannon avulla tutkijat odottavat, että uuden sukupolven monitoimisia hermoimplantteja multimodaalista hermostimulaatiota ja -tallennusta varten voidaan valmistaa massa-tämän tekniikan levittämiseksi laajasti neurotiedeyhteisölle.
Paperinen linkki:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3