L-effettituri, l-inibituri u l-indikaturi fluworexxenti kodifikati ġenetikament huma għodod importanti fin-newroxjenza. Tekniki optoġenetiċi jippermettu manipulazzjoni preċiża ta 'ċirkwiti newrali bl-użu tad-dawl. Madankollu, l-attenwazzjoni tad-dawl toħloq sfidi biex jitwassal dawl b'forma spazjali li jikkontrolla l-firxa ta 'stimulazzjoni għal reġjuni profondi tal-moħħ.
Skont MEMS Consulting, reċentement, riċerkaturi mill-Istitut Max Planck tal-Fiżika tal-Mikrostruttura fil-Ġermanja għelbu din l-isfida permezz ta 'sonda newrali tas-silikon impjantabbli b'mikroelettrodi integrati u ċirkwiti nanofotoniċi fabbrikati minn funderija. Din is-sonda tista' temetti xejriet ta' raġġi ddisinjati b'qawwa għolja biżżejjed biex tistimula attivitajiet newrali li jvarjaw minn spikes ċellulari għal reazzjonijiet ta'-netwerk sħiħ. Esperimenti in vivo evalwaw sondi li jarmu raġġi ta'-diverġenza baxxi jew folji ta' dawl planari, li t-tnejn jistgħu jistimulaw b'mod selettiv newroni f'fond differenti. Tqabbil tat-tweġibiet ta 'spike li indoxxew juri li, meta mqabbel mas-sonda ta'-diverġenza baxxa, is-sonda tal-folja tad-dawl tista 'tikkawża grad ogħla ta' għeja tar-rata ta 'l-isparar f'intensitajiet tad-dawl aktar baxxi. Is-sonda tal-folja tad-dawl tista 'wkoll twassal għal aċċessjonijiet fl-ippokampus ta' mudell tal-ġurdien ta 'epilessija filwaqt li żżomm iż-żieda fit-temperatura fi grad 1. L-integrazzjoni ta' apparati addizzjonali, bħal multiplexers ta' wavelength u photodetectors, tista' tippermetti impjant multi-funzjonali għall-immappjar ta' attività tal-moħħ multi-modali. Ir-riżultati tar-riċerka relatati ġew ippubblikati fil-ġurnalnpj Biosensingtaħt it-titlu "Prodi newrali nanofotoniċi impjantabbli għal fotostimulazzjoni b'disinji integrati u reġistrazzjoni elettrofiżjoloġika".
Is-sistema ta 'sonda newrali nanofotonika proposta f'dan id-dokument tidher fil-figura hawn taħt. Is-sonda hija passiva u tuża sors tal-laser off-ċippa u elettronika tar-reġistrazzjoni biex timminimizza r-riskju tat-tisħin tat-tessuti. Kull sonda hija konnessa ma 'sistema ta' skannjar bil-lejżer esterna u bord ta 'ċirkwit ta' akkwist ta 'dejta elettrofiżjoloġika għal stimulazzjoni ottika simultanja u reġistrazzjoni elettrofiżjoloġika. Is-sondi newrali nanofotoniċi ġew iffabbrikati fuq wejfers tas-silikon b'dijametru ta' 200-mm bl-użu ta' litografija ultravjola profonda (DUV) fil-Mikro Foundry Avvanzata.
Dijagramma kunċettwali tas-sistema tas-sonda newrali nanofotonika....
Din is-sonda tikkonsisti minn saff wieħed ta 'nitrur tas-silikon (SiN) għal waveguides ottiċi u tliet saffi ta' saffi ta 'wajers tal-metall tal-aluminju (Al). Nitrur tat-titanju (TiN) jintuża biex jifforma mikroelettrodi tal-wiċċ bijokompatibbli. Permezz tal-proċess tat-tħin tad-dahar tal-wejfer tal-funderija segwit minn illustrar ta' wara-ipproċessar, il-ħxuna tas-sonda tista' titnaqqas għal 40 - 60 µm.
Ħarsa ġenerali lejn Sondi Newrali Integrati mal-Mikroelettrodi
Biex juru l-abbiltà li jippersonalizzaw il-mudell ta 'emissjoni tar-raġġ, ir-riċerkaturi fasslu sondi b'żewġ gradilji differenti. L-ewwel tip ta 'sonda, imsejjaħ "sonda ta' diverġenza baxxa (LD)", temetti raġġ ta 'diverġenza baxxa minn shank wieħed. Sonda waħda ta' diverġenza baxxa għandha 16-il gradilja uniformi u 18-il elettrodu. It-tieni tip ta 'sonda, imsejjaħ "sonda tal-folja tad-dawl (LS)", jista' jarmi folja tad-dawl għal stimulazzjoni ottika ta 'firxa sħiħa ta'-netwerk f'fond speċifiku. Sonda waħda tal-folja tad-dawl għandha 4 xbieki tas-sonda li huma twal 4 mm u 5 emittenti tal-folja tad-dawl. Il-folja tad-dawl hija ffurmata mill-emissjoni li tikkoinċidi ta 'matriċi ta' emitter ta '8 ħakk fuq l-4 xikel tas-sonda.
Karatterizzazzjoni tas-sondi
F'esperimenti in vivo, kemm is-sonda ta'-diverġenza baxxa kif ukoll is-sonda tal--folja ħafifa jistgħu jistimulaw b'mod selettiv in-newroni f'fond differenti tal-kortiċi. L-emissjoni tar-raġġ planari tas-sonda tal--folja tad-dawl tipprovdi kopertura tar-raġġ usa', li tistimula n-newroni madwar l-erba' xkieli tas-sonda. Barra minn hekk, meta mqabbla mas-sonda ta'-diverġenza baxxa, is-sonda tal--folja ħafifa tinduċi rispons elettrofiżjoloġiku aktar b'saħħtu f'intensità ta 'output aktar baxxa, kif muri minn għeja b'rata ta' sparar aktar qawwija. Barra minn hekk, jista 'jikkaġuna aċċessjonijiet fl-ippokampus ta' mudelli ta 'ġrieden epilettiċi filwaqt li jżomm iż-żieda fit-temperatura mistennija taħt.<1 °C.
Dimostrazzjoni ta' stimulazzjoni optoġenetika selettiva spazjalment bl-użu ta' sonda ħafifa-folja fi ġrieden imqajjmin u ras-fissati.
Fil-mudell tal-ġurdien epilettiku, is-sonda tal--folja ħafifa tinduċi aċċessjonijiet fir-reġjun CA1 tal-ippokampus permezz tal-optoġenetika.
Safejn jafu r-riċerkaturi, dan ix-xogħol huwa l-ewwel dimostrazzjoni ta 'sonda newrali nanofotonika. Jippersonalizza l-mudell ta 'emissjoni tar-raġġ permezz tal-vantaġġi magħquda ta' qawwa għolja tal-ħruġ u disinn ta 'emittent flessibbli, li jippermetti rispons sħiħ ta'-netwerk għal stimulazzjoni optoġenetika. Is-sonda tal-folja tad-dawl proposta f'dan id-dokument tista 'sservi bħala blokka bażika biex tavvanza l-iżvilupp ta' sondi newrali multifunzjonali għall-istudju tal-attività tan-netwerk sħiħa-, speċjalment id-dinamika tal-qbid fir-riċerka tal-epilessija.
Fil-qosor, ir-riċerkaturi wrew pjattaforma ta' ċirkwit integrat fotoniku (PIC) ipprovdut minn funderija-għall-iżvilupp ta' sondi newrali impjantabbli li kapaċi jwettqu simultanjament reġistrazzjonijiet elettrofiżjoloġiċi u stimulazzjoni tad-dawl b'disinn. L-uniċità ta 'din is-sonda tinsab fl-utilizzazzjoni tagħha ta' teknoloġija nanofotonika integrata biex tippersonalizza l-mudell ta 'emissjoni tad-dawl biex tistimula volumi differenti tat-tessuti. Minbarra li jarmu raġġi ta 'dawl ta' diverġenza baxxa- biex jinduċu attività ta 'spike ċellulari, l-emittent tal-folja tad-dawl integrat, li jqassam l-emissjoni tad-dawl tul il-parti tas-sonda biex jiġġenera illuminazzjoni planari, jista' jestendi l-applikazzjoni ta 'sondi newrali fotoniċi tas-silikon għal interrogazzjoni sħiħa- tan-netwerk f'fond speċifiku. Fil-futur, aktar żvilupp ta 'dawn is-sondi biex jappoġġjaw emissjoni ta' qawwa ogħla u jiksbu distribuzzjoni mifruxa tad-dawl jista 'jintuża biex jistimula reġjuni akbar tal-moħħ f'annimali gerriema jew annimali b'imħuħ akbar. Permezz tal-manifattura tal-funderija, ir-riċerkaturi jistennew li ġenerazzjoni ġdida ta 'impjanti newrali multifunzjonali għal stimulazzjoni u reġistrazzjoni newrali multimodali tista' tiġi prodotta b'massa- għad-disseminazzjoni mifruxa ta 'din it-teknoloġija lill-komunità newroxjenza.
Link tal-karta:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3