عوامل اپتوژنتیک کدگذاری شده ژنتیکی، بازدارنده ها و شاخص های فلورسنت ابزارهای مهمی در علوم اعصاب هستند. تکنیک های اپتوژنتیک امکان دستکاری دقیق مدارهای عصبی را با استفاده از نور فراهم می کند. با این حال، تضعیف نور چالش هایی را برای ارائه نور فضایی شکل که دامنه تحریک را به مناطق عمیق مغز کنترل می کند، ایجاد می کند.
به گفته مشاور MEMS، اخیراً محققان موسسه فیزیک ریزساختار ماکس پلانک در آلمان از طریق یک کاوشگر عصبی سیلیکونی قابل کاشت با میکروالکترودهای یکپارچه و مدارهای نانوفوتونی ساخته شده توسط یک ریخته گری بر این چالش غلبه کرده اند. این کاوشگر میتواند الگوهای پرتوهای طراحیشده با قدرت کافی برای تحریک فعالیتهای عصبی از اسپکهای سلولی تا پاسخهای شبکه کامل- منتشر کند. آزمایشهای in vivo کاوشگرهایی را ارزیابی کردند که پرتوهای واگرایی کم یا صفحات نوری مسطح ساطع میکنند، که هر دو میتوانند به طور انتخابی نورونها را در اعماق مختلف تحریک کنند. مقایسه پاسخهای سنبلهای که آنها ایجاد کردند نشان میدهد که در مقایسه با کاوشگر واگرایی کم، کاوشگر ورق سبک میتواند درجه بالاتری از خستگی سرعت شلیک را در شدتهای نور پایینتر ایجاد کند. کاوشگر ورقه نوری همچنین می تواند باعث ایجاد تشنج در هیپوکامپ مدل موش صرع شود در حالی که افزایش دما را در 1 درجه نگه می دارد. ادغام دستگاههای اضافی، مانند مالتی پلکسرهای طول موج و آشکارسازهای نوری، میتواند یک ایمپلنت چند کاره-برای نقشهبرداری چند{10}مغزی فعالیت کند. نتایج تحقیقات مرتبط در مجله منتشر شدحسگر زیستی npjتحت عنوان "کاوشگرهای عصبی نانوفتونیک قابل کاشت برای تحریک نوری الگوی یکپارچه و ثبت الکتروفیزیولوژیک".
سیستم پروب عصبی نانوفوتونیکی پیشنهاد شده در این مقاله در شکل زیر نشان داده شده است. کاوشگر غیرفعال است و از یک منبع لیزر خاموش{1}}چیپ و تجهیزات الکترونیکی ضبط برای به حداقل رساندن خطر گرم شدن بافت استفاده می کند. هر پروب به یک سیستم اسکن لیزری خارجی و یک برد مدار جمعآوری دادههای الکتروفیزیولوژیکی برای تحریک نوری و ثبت الکتروفیزیولوژیک همزمان متصل است. کاوشگرهای عصبی نانوفوتونیکی بر روی ویفرهای سیلیکونی با قطر 200- میلیمتر با استفاده از لیتوگرافی عمیق فرابنفش (DUV) در Advanced Micro Foundry ساخته شدند.
نمودار مفهومی سیستم کاوشگر عصبی نانوفوتونیکی
این کاوشگر از یک لایه نیترید سیلیکون (SiN) برای موجبرهای نوری و سه لایه از لایههای سیمکشی فلزی آلومینیومی (Al) تشکیل شده است. نیترید تیتانیوم (TiN) برای تشکیل میکروالکترودهای سطحی زیست سازگار استفاده می شود. ضخامت پروب را می توان از طریق فرآیند آسیاب پشت ویفر در کارخانه ریخته گری و به دنبال آن پولیش{2}}پس از پردازش، ضخامت پروب را به 40 - 60 میکرومتر کاهش داد.
مروری بر پروب های عصبی ادغام شده با میکروالکترودها
برای نشان دادن توانایی سفارشی کردن الگوی انتشار پرتو، محققان کاوشگرهایی با دو توری مختلف طراحی کردند. اولین نوع کاوشگر که "کاوشگر واگرایی کم (LD) نام دارد، یک پرتو واگرایی کم از یک ساقه منفرد ساطع می کند. یک پروب با واگرایی کم دارای 16 گریتینگ یکنواخت و 18 الکترود است. نوع دوم کاوشگر، به نام "کاوشگر ورق نوری (LS)"، میتواند یک صفحه نوری برای تحریک نوری با دامنه کامل{5}}شبکه در یک عمق خاص منتشر کند. یک پروب ورق سبک دارای 4 ساقه پروب به طول 4 میلی متر و 5 ساطع کننده ورق سبک است. ورق نور از انتشار همپوشانی 8 آرایه امیتر گریتینگ روی 4 ساقه پروب تشکیل می شود.
خصوصیات پروب ها
در آزمایشهای in vivo، هم کاوشگر{0}واگرایی کم و هم پروب صفحه نور{1}}بهطور انتخابی میتوانند نورونها را در اعماق مختلف قشر مغز تحریک کنند. تابش پرتو مسطح پروب ورق نوری، پوشش پرتو وسیع تری را فراهم می کند و نورون های اطراف چهار ساقه پروب را تحریک می کند. علاوه بر این، در مقایسه با کاوشگر با واگرایی کم، پروب ورقی سبک، پاسخ الکتروفیزیولوژیکی قویتری را با شدت خروجی پایینتر ایجاد میکند، همانطور که با خستگی سرعت شلیک قویتر مشهود است. علاوه بر این، میتواند باعث ایجاد تشنج در هیپوکامپ مدلهای موش صرعی شود در حالی که افزایش دمای مورد انتظار را پایینتر نگه میدارد.<1 °C.
نشان دادن تحریک اپتوژنتیک انتخابی فضایی با استفاده از یک -کاوشگر ورقه ای سبک در موش های بیدار و سر{1}} ثابت.
در مدل موش صرعی، کاوشگر ورقه ای نور از طریق اپتوژنتیک باعث ایجاد تشنج در ناحیه CA1 هیپوکامپ می شود.
تا آنجا که محققان می دانند، این کار اولین نمایش یک کاوشگر عصبی نانوفوتونیکی است. این الگوی تابش پرتو را از طریق مزایای ترکیبی توان خروجی بالا و طراحی امیتر منعطف سفارشی میکند و پاسخ شبکه کامل-به تحریک اپتوژنتیک را ممکن میسازد. کاوشگر ورقه سبک ارائه شده در این مقاله می تواند به عنوان یک بلوک ساختمانی اساسی برای پیشبرد توسعه کاوشگرهای عصبی چند منظوره برای مطالعه فعالیت کامل شبکه، به ویژه دینامیک تشنج در تحقیقات صرع، عمل کند.
به طور خلاصه، محققان پلت فرم مدار مجتمع فوتونی (PIC) را برای ساخت پروبهای عصبی قابل کاشت که قادر به انجام همزمان ضبطهای الکتروفیزیولوژیکی و تحریک نور الگو هستند، ارائه کردهاند. منحصر به فرد بودن این کاوشگر در استفاده از فناوری نانوفوتونیکی یکپارچه برای سفارشی کردن الگوی انتشار نور برای تحریک حجم های مختلف بافت نهفته است. ساطع کننده صفحه نوری یکپارچه، که انتشار نور را در امتداد ساقه کاوشگر برای ایجاد روشنایی مسطح توزیع می کند، علاوه بر ساطع پرتوهای نور کم{3}}واگرایی برای القای فعالیت سنبله سلولی، می تواند کاربرد کاوشگرهای عصبی فوتونیک سیلیکونی را به بازپرسی کامل{4} شبکه در عمق های خاص گسترش دهد. در آینده، توسعه بیشتر این کاوشگرها برای پشتیبانی از انتشار توان بالاتر و دستیابی به توزیع گسترده نور می تواند برای تحریک مناطق بزرگتر مغز در جوندگان یا حیوانات با مغز بزرگتر مورد استفاده قرار گیرد. از طریق تولید ریختهگری، محققان انتظار دارند که نسل جدیدی از ایمپلنتهای عصبی چند منظوره برای تحریک و ضبط چندوجهی عصبی میتواند انبوه{7}}برای انتشار گسترده این فناوری در جامعه علوم اعصاب تولید شود.
پیوند کاغذی:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3