Erfðafræðilega kóðuð sjónræn áhrif, hemlar og flúrljómandi vísbendingar eru mikilvæg tæki í taugavísindum. Optogenetic tækni gerir nákvæma meðhöndlun á taugarásum með því að nota ljós. Hins vegar veldur ljósdempun áskorunum við að skila staðbundnu ljósi sem stjórnar örvunarsviðinu til djúpra heilasvæða.
Samkvæmt MEMS ráðgjöf, nýlega, hafa vísindamenn frá Max Planck Institute of Microstructure Physics í Þýskalandi sigrast á þessari áskorun með ígræðanlegan sílikon tauganema með samþættum örrafskautum og nanóljóseindarásum sem eru framleidd af steypu. Þessi rannsakandi getur sent frá sér hönnuð geislamynstur með nægilega miklum krafti til að örva taugavirkni, allt frá frumustoppum til fulls-netssvörunar. In vivo tilraunir meta rannsaka sem gefa frá sér lága-fráviksgeisla eða flatar ljósblöð, sem bæði geta valið örvað taugafrumur á mismunandi dýpi. Samanburður á toppsvörunum sem þeir framkalluðu sýnir að samanborið við lítinn-fráviksnemann getur ljósplötuneminn framkallað meiri eldhraðaþreytu við lægri ljósstyrk. Ljóskönnuðurinn getur einnig framkallað flog í hippocampus múslíkans af flogaveiki á meðan hitastiginu hækkar innan við 1 gráðu. Með því að samþætta viðbótartæki, eins og bylgjulengdarmargfaldara og ljósnema, er hægt að gera fjöl-virka ígræðslu kleift að-máta kortlagningu heilavirkni. Tengdar rannsóknarniðurstöður voru birtar í tímaritinunpj lífskynjunundir heitinu "Igræðanleg nanóljósmyndandi taugarannsóknir fyrir samþætta mynstraða ljósörvun og raflífeðlisfræðilega upptöku".
Nanophotonic taugarannsóknarkerfið sem lagt er til í þessari grein er sýnt á myndinni hér að neðan. Neminn er óvirkur og notar óvirkan-flís leysigjafa og upptökuraftæki til að lágmarka hættuna á hita í vefjum. Hver rannsakandi er tengdur við ytra leysirskönnunarkerfi og raflífeðlisfræðilega gagnaöflunarrás fyrir samtímis sjónörvun og raflífeðlisfræðilega upptöku. Nanóljósmyndandi tauganemar voru framleiddir á 200 -mm þvermál sílikonplötum með djúpum útfjólubláum (DUV) lithography í Advanced Micro Foundry.
Hugmyndafræðileg skýringarmynd af nanóphotonic taugarannsóknakerfinu
Þessi rannsakandi samanstendur af einu lagi af kísilnítríði (SiN) fyrir sjónbylgjuleiðara og þremur lögum af ál (Al) málmlagi. Títannítríð (TiN) er notað til að mynda lífsamhæfðar yfirborðs örrafskaut. Í gegnum slípun steypunnar á oblátum aftur og síðan eftir fægingu eftir-vinnslu, er hægt að minnka þykkt rannsakans í 40 - 60 µm.
Yfirlit yfir taugarannsóknir sem eru samþættar með örrafskautum
Til að sýna fram á getu til að sérsníða geislaútstreymismynstrið, hönnuðu vísindamennirnir rannsaka með tveimur mismunandi ristum. Fyrsta tegund rannsaka, sem kallast "lítil frávik (LD) rannsaka", gefur frá sér lágan fráviksgeisla frá einum skafti. Einn mælikvarði með lágan mismun hefur 16 samræmda rist og 18 rafskaut. Önnur tegund rannsaka, sem kallast "light sheet (LS) sonde", getur gefið frá sér ljósblanda fyrir sjónörvun á fullu-netsviði á ákveðnu dýpi. Einn ljósplötunemi er með 4 4 mm langa neðri skafta og 5 ljósplötugjafa. Ljósablaðið er myndað af skarast útstreymi 8 ristandi straumafla á 4 rannsakaskafta.
Einkenni rannsakanna
Í in vivo tilraunum geta bæði lítil-fráviksnemi og ljós-laknemi örvað taugafrumur á mismunandi dýpi heilaberkisins. Planar geislaútstreymi ljós-plötunemans veitir víðtækari geislaþekju, örvar taugafrumurnar í kringum nemaskaftana fjóra. Að auki, samanborið við litla-fráviksnemann, framkallar ljós-lakneminn sterkari raflífeðlisfræðileg svörun við lægri úttaksstyrk, eins og sést af sterkari skothraðaþreytu. Þar að auki getur það framkallað floga í hippocampus flogaveikilegra músalíkana á sama tíma og væntanlegri hitahækkun er haldið undir<1 °C.
Sýning á staðbundinni optogenetic örvun með því að nota ljós-laknema í vöknum og höfuð-föstum músum.
Í flogaveiki músamódelinu framkallar ljós-lakneminn krampa á CA1 svæðinu í hippocampus með sjónrænum efnafræði.
Eftir því sem rannsakendur vita er þetta verk fyrsta sýningin á nanóljósmyndandi taugarannsókn. Það sérsniður geislaútstreymismynstrið með sameinuðum kostum mikils úttaksafls og sveigjanlegrar sendandahönnunar, sem gerir fulla-netsvörun við optogenetic örvun kleift. Ljóslakanninn sem lagður er fram í þessari grein getur þjónað sem grunnbyggingarsteinn til að efla þróun fjölvirkra taugarannsókna til að rannsaka fulla-netvirkni, sérstaklega flogavirkni í flogaveikirannsóknum.
Í stuttu máli hafa rannsakendur sýnt fram á -steypustöð sem útvegaði photonic heildrás (PIC) vettvang til að þróa ígræðanlega tauganema sem geta samtímis framkvæmt raflífeðlisfræðilegar upptökur og mynstraða ljósörvun. Sérstaða þessa rannsakanda liggur í notkun þess á samþættri nanóljóseindatækni til að sérsníða ljósgeislunarmynstrið til að örva mismunandi vefjamagn. Auk þess að gefa frá sér lága-fráviksljósgeisla til að framkalla frumuvirkni, getur innbyggði ljósgeislinn, sem dreifir ljósgeislun eftir skaftinum til að mynda plana lýsingu, lengt beitingu sílikon ljóseindatauganema í fulla-netrannsókn á tilteknu dýpi. Í framtíðinni væri hægt að nota frekari þróun þessara rannsaka til að styðja við meiri orkulosun og ná víðtækri ljósdreifingu til að örva stærri heilasvæði hjá nagdýrum eða dýrum með stærri heila. Í gegnum steypuframleiðslu búast rannsakendur við því að hægt sé að massa-framleiða nýja kynslóð fjölvirkra taugaígræðslna fyrir fjölþætta taugaörvun og upptöku til að dreifa þessari tækni til taugavísindasamfélagsins.
Tengill á pappír:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3