Mae effeithyddion optogenetig wedi'u hamgodio'n enetig, atalyddion, a dangosyddion fflwroleuol yn arfau pwysig mewn niwrowyddoniaeth. Mae technegau optogenetig yn galluogi trin cylchedau niwral yn fanwl gywir gan ddefnyddio golau. Fodd bynnag, mae gwanhau golau yn peri heriau i gyflwyno golau siâp gofodol sy'n rheoli'r ystod o ysgogiad i ranbarthau dwfn yr ymennydd.
Yn ôl MEMS Consulting, yn ddiweddar, mae ymchwilwyr o Sefydliad Ffiseg Microstrwythur Max Planck yn yr Almaen wedi goresgyn yr her hon trwy chwiliwr niwral silicon y gellir ei fewnblannu gyda microelectrodau integredig a chylchedau nanoffotonig wedi'u gwneud gan ffowndri. Gall y stiliwr hwn allyrru patrymau trawst wedi'u dylunio â phŵer digon uchel i ysgogi gweithgareddau niwral yn amrywio o bigau cellog i ymatebion rhwydwaith llawn. Roedd arbrofion in vivo yn gwerthuso stilwyr sy'n allyrru pelydrau dargyfeirio isel neu ddalennau golau planar, a gall y ddau ohonynt ysgogi niwronau ar wahanol ddyfnderoedd yn ddetholus. Mae cymhariaeth o'r ymatebion pigyn a ysgogwyd ganddynt yn dangos, o'i gymharu â'r chwiliwr dargyfeiriad isel, y gall y chwiliedydd llenni golau achosi gradd uwch o flinder cyfradd tanio ar ddwysedd golau is. Gall y stiliwr cynfas ysgafn hefyd achosi trawiadau yn yr hipocampws o fodel llygoden o epilepsi tra'n cadw'r codiad tymheredd o fewn 1 gradd. Gall integreiddio dyfeisiau ychwanegol, megis amlblecswyr tonfedd a ffotosynwyryddion, alluogi mewnblaniad aml-swyddogaethol ar gyfer mapio gweithgarwch ymennydd amlfodd. Cyhoeddwyd canlyniadau ymchwil cysylltiedig yn y cyfnodolynnpj Biosynhwyroo dan y teitl "stilwyr niwral nanoffotonig y gellir eu mewnblannu ar gyfer ffotoysgogiad patrymog integredig a chofnodi electroffisiolegol".
Dangosir y system archwilio niwral nanophotonig a gynigir yn y papur hwn yn y ffigur isod. Mae'r stiliwr yn oddefol ac mae'n defnyddio ffynhonnell laser sglodion wedi'i diffodd ac electroneg recordio i leihau'r risg o gynhesu meinwe. Mae pob stiliwr wedi'i gysylltu â system sganio laser allanol a bwrdd cylched caffael data electroffisiolegol ar gyfer ysgogiad optegol ar yr un pryd a chofnodi electroffisiolegol. Cafodd y stilwyr niwral nanoffotonig eu gwneud ar wafferi silicon 200{5}mm-diamedr gan ddefnyddio lithograffeg uwchfioled dwfn (DUV) yn yr Uwch Ffowndri Feicro.
Diagram cysyniadol o'r system stiliwr niwral nanoffotonig
Mae'r stiliwr hwn yn cynnwys un haen o nitrid silicon (SiN) ar gyfer tonnau optegol a thair haen o haenau gwifrau metel alwminiwm (Al). Defnyddir nitrid titaniwm (TiN) i ffurfio microelectrodau arwyneb biocompatible. Trwy broses malu cefn afrlladen y ffowndri ac yna-olchi prosesu post, gellir lleihau trwch y stiliwr i 40 - 60 µm.
Trosolwg o Brobau Niwral wedi'u hintegreiddio â Microelectrodau
Er mwyn dangos y gallu i addasu'r patrwm allyriadau trawst, dyluniodd yr ymchwilwyr stilwyr gyda dau rât gwahanol. Mae'r math cyntaf o stiliwr, a elwir yn "chwiliwr dargyfeiriad isel (LD)", yn allyrru pelydryn dargyfeiriad isel o un shank. Mae gan un chwiliwr dargyfeiriad isel 16 o gratiau unffurf a 18 electrod. Gall yr ail fath o stiliwr, a elwir yn "chwiliwr dalennau golau (LS)", allyrru dalen olau ar gyfer ysgogiad optegol ystod rhwydwaith llawn ar ddyfnder penodol. Mae gan un chwiliedydd dalennau ysgafn 4 darn chwiliwr sy'n 4 mm o hyd a 5 allyrrydd dalen ysgafn. Mae'r ddalen golau yn cael ei ffurfio gan allyriad gorgyffwrdd o 8 araeau allyrrydd gratio ar y 4 coblyn stiliwr.
Nodweddu'r chwilwyr
Mewn arbrofion in vivo, mae'r chwiliwr dargyfeiriad isel a'r chwiliwr dalennau golau yn gallu ysgogi niwronau yn ddetholus ar wahanol ddyfnderoedd y cortecs. Mae allyriadau pelydr planar y chwiliedydd dalennau golau yn darparu cwmpas trawst ehangach, gan ysgogi'r niwronau o amgylch y pedwar coblyn stiliwr. Yn ogystal, o'i gymharu â'r chwiliwr dargyfeiriad isel, mae'r chwiliedydd dalennau golau yn achosi ymateb electroffisiolegol cryfach ar ddwysedd allbwn is, fel y dangosir gan gyfradd tanio gryfach blinder. Ar ben hynny, gall gymell trawiadau yn yr hippocampus o fodelau llygoden epileptig tra'n cadw'r cynnydd tymheredd disgwyliedig yn is.<1 °C.
Arddangosiad o symbyliad optogenetig gofodol dethol gan ddefnyddio chwiliwr cynfas golau mewn llygod effro a phen -pen.
Yn y model llygoden epileptig, mae'r chwiliwr dalennog golau yn achosi trawiadau yn rhanbarth CA1 yr hipocampws trwy optogeneteg.
Cyn belled ag y mae'r ymchwilwyr yn gwybod, y gwaith hwn yw'r arddangosiad cyntaf o stiliwr niwral nanoffotonig. Mae'n addasu'r patrwm allyriadau trawst trwy fanteision cyfunol pŵer allbwn uchel a dyluniad allyrrydd hyblyg, gan alluogi ymateb rhwydwaith llawn i ysgogiad optogenetig. Gall y stiliwr llen ysgafn a gynigir yn y papur hwn fod yn floc adeiladu sylfaenol i hybu datblygiad stilwyr niwral amlswyddogaethol ar gyfer astudio gweithgarwch rhwydwaith llawn, yn enwedig dynameg trawiadau mewn ymchwil epilepsi.
I grynhoi, mae'r ymchwilwyr wedi dangos bod ffowndri wedi darparu llwyfan cylched integredig ffotonig (PIC) ar gyfer datblygu stilwyr niwral y gellir eu mewnblannu sy'n gallu perfformio recordiadau electroffisiolegol ac ysgogiad golau patrymog ar yr un pryd. Mae unigrywiaeth y stiliwr hwn yn gorwedd yn ei ddefnydd o dechnoleg nanoffotoneg integredig i addasu'r patrwm allyriadau golau ar gyfer ysgogi gwahanol gyfeintiau meinwe. Yn ogystal ag allyrru pelydrau golau dargyfeiriad isel i ysgogi gweithgarwch pigyn cellog, gall yr allyrrydd dalennau golau integredig, sy'n dosbarthu allyriadau golau ar hyd y carn stiliwr i gynhyrchu goleuo planar, ymestyn cymhwysiad stilwyr niwral ffotonig silicon i ymholiad rhwydwaith llawn ar ddyfnderoedd penodol. Yn y dyfodol, gellid defnyddio datblygiad pellach y stilwyr hyn i gefnogi allyriadau pŵer uwch a chyflawni dosbarthiad golau eang i ysgogi rhanbarthau ymennydd mwy mewn cnofilod neu anifeiliaid ag ymennydd mwy. Trwy weithgynhyrchu ffowndri, mae'r ymchwilwyr yn disgwyl y gall cenhedlaeth newydd o fewnblaniadau niwral amlswyddogaethol ar gyfer ysgogi a chofnodi niwral amlfodd gael eu cynhyrchu ar raddfa fawr ar gyfer lledaenu'r dechnoleg hon yn eang i'r gymuned niwrowyddoniaeth.
Dolen papur:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3