ออพโตเจเนติกเอฟเฟกต์ สารยับยั้ง และตัวบ่งชี้เรืองแสงที่เข้ารหัสทางพันธุกรรมเป็นเครื่องมือสำคัญในประสาทวิทยาศาสตร์ เทคนิคออปโตเจเนติกส์ช่วยให้สามารถควบคุมวงจรประสาทได้อย่างแม่นยำโดยใช้แสง อย่างไรก็ตาม การลดทอนแสงทำให้เกิดความท้าทายในการส่งแสงที่มีรูปทรงเชิงพื้นที่ซึ่งควบคุมช่วงการกระตุ้นไปยังบริเวณสมองส่วนลึก
จากข้อมูลของ MEMS Consulting เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์โครงสร้างจุลภาคมักซ์พลังค์ในประเทศเยอรมนีได้เอาชนะความท้าทายนี้ผ่านโพรบประสาทซิลิกอนแบบฝังที่มีไมโครอิเล็กโทรดในตัวและวงจรนาโนโฟโตนิกที่ประดิษฐ์โดยโรงหล่อ โพรบนี้สามารถปล่อยรูปแบบลำแสงที่ออกแบบไว้ซึ่งมีกำลังสูงเพียงพอในการกระตุ้นกิจกรรมของระบบประสาทตั้งแต่ระดับเซลล์ไปจนถึงการตอบสนองของเครือข่ายเต็มรูปแบบ- การทดลองในสัตว์ทดลองประเมินโพรบที่ปล่อยลำแสงไดเวอร์เจนซ์หรือแผ่นแสงระนาบต่ำ- ซึ่งทั้งสองอย่างนี้สามารถเลือกกระตุ้นเซลล์ประสาทที่ระดับความลึกต่างกันได้ การเปรียบเทียบการตอบสนองที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วแสดงให้เห็นว่า เมื่อเปรียบเทียบกับโพรบวัดความแตกต่าง- ต่ำ โพรบแผ่นแสงสามารถกระตุ้นให้เกิดความล้าของอัตราการยิงที่สูงกว่าที่ความเข้มของแสงที่ต่ำกว่า โพรบแผ่นแสงยังสามารถกระตุ้นให้เกิดอาการชักในฮิบโปแคมปัสของแบบจำลองโรคลมบ้าหมูของเมาส์ ขณะเดียวกันก็รักษาอุณหภูมิให้สูงขึ้นภายใน 1 องศา การบูรณาการอุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น มัลติเพล็กเซอร์ความยาวคลื่นและตัวตรวจจับแสง สามารถเปิดใช้งาน-การปลูกถ่ายที่มีฟังก์ชันหลากหลายสำหรับการทำแผนที่กิจกรรมของสมองแบบโมดัลหลาย- ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสารnpj ไบโอเซนเซอร์ภายใต้ชื่อ "โพรบประสาทโฟโตนิกแบบฝังได้สำหรับการกระตุ้นด้วยแสงที่มีลวดลายแบบบูรณาการและการบันทึกทางไฟฟ้าสรีรวิทยา"
ระบบโพรบประสาทนาโนโฟโตนิกที่เสนอในบทความนี้แสดงไว้ในภาพด้านล่าง โพรบเป็นแบบพาสซีฟและใช้-แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบปิดชิป และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการบันทึกเพื่อลดความเสี่ยงที่เนื้อเยื่อจะร้อน โพรบแต่ละตัวเชื่อมต่อกับระบบสแกนด้วยเลเซอร์ภายนอกและแผงวงจรเก็บข้อมูลทางไฟฟ้าสรีรวิทยาสำหรับการกระตุ้นด้วยแสงและการบันทึกทางไฟฟ้าสรีรวิทยาพร้อมกัน โพรบนิวรัลโฟโตนิกถูกสร้างขึ้นบนเวเฟอร์ซิลิคอนเส้นผ่านศูนย์กลาง 200- มม. โดยใช้การพิมพ์หินอัลตราไวโอเลตระดับลึก (DUV) ที่ Advanced Micro Foundry
แผนภาพแนวคิดของระบบโพรบประสาทนาโนโฟโตนิก
โพรบนี้ประกอบด้วยซิลิคอนไนไตรด์ (SiN) ชั้นเดียวสำหรับท่อนำคลื่นแสงและชั้นสายไฟโลหะอะลูมิเนียม (Al) สามชั้น ไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) ใช้เพื่อสร้างไมโครอิเล็กโทรดพื้นผิวที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ ด้วยกระบวนการเจียรแผ่นเวเฟอร์กลับของโรงหล่อ ตามด้วยการขัดหลังการประมวลผล- ความหนาของโพรบสามารถลดลงเหลือ 40 - 60 µm
ภาพรวมของโพรบประสาทที่รวมเข้ากับไมโครอิเล็กโทรด
เพื่อแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับแต่งรูปแบบการปล่อยลำแสง นักวิจัยได้ออกแบบโพรบที่มีตะแกรงสองแบบที่แตกต่างกัน โพรบประเภทแรกเรียกว่า "โพรบไดเวอร์เจนซ์ต่ำ (LD)" ปล่อยลำแสงไดเวอร์เจนซ์ต่ำจากก้านเดียว โพรบความแตกต่างต่ำหนึ่งตัวมีตะแกรงที่สม่ำเสมอ 16 อันและอิเล็กโทรด 18 อัน โพรบประเภทที่สองเรียกว่า "โพรบแผ่นแสง (LS)" สามารถปล่อยแผ่นแสงสำหรับการกระตุ้นด้วยแสงแบบเต็ม-ช่วงเครือข่ายที่ระดับความลึกเฉพาะ โพรบแผ่นแสงหนึ่งอันมีก้านโพรบ 4 อันที่ยาว 4 มม. และตัวปล่อยแผ่นแสง 5 อัน แผ่นแสงเกิดจากการแผ่รังสีที่ทับซ้อนกันของอาร์เรย์ตัวปล่อยตะแกรง 8 ตัวบนก้านโพรบ 4 อัน
การกำหนดลักษณะเฉพาะของโพรบ
ในการทดลองในสิ่งมีชีวิต ทั้ง-โพรบไดเวอร์เจนซ์ต่ำและโพรบแผ่นแสง- สามารถเลือกกระตุ้นเซลล์ประสาทที่ระดับความลึกต่างๆ ของเยื่อหุ้มสมองได้ การปล่อยลำแสงระนาบของโพรบแผ่นแสง-ทำให้ลำแสงครอบคลุมกว้างขึ้น โดยกระตุ้นเซลล์ประสาทรอบๆ ก้านโพรบทั้งสี่ นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับโพรบ-ความแตกต่างต่ำ โพรบแผ่นแสง-จะกระตุ้นให้เกิดการตอบสนองทางอิเล็กโตรฟิสิกส์วิทยาที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นที่ความเข้มเอาต์พุตที่ต่ำกว่า ดังที่เห็นได้จากความล้าของอัตราการยิงที่มากขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถชักนำให้เกิดอาการชักในฮิบโปแคมปัสของเมาส์รุ่นโรคลมชักได้ในขณะที่รักษาอุณหภูมิที่คาดว่าจะเพิ่มขึ้นให้ต่ำกว่า<1 °C.
การสาธิตการกระตุ้นออพโตเจเนติกแบบคัดเลือกเชิงพื้นที่โดยใช้-โพรบแผ่นแสงในหนูที่ตื่นตัวและ-อยู่กับที่
ในโมเดลเมาส์โรคลมชัก โพรบแผ่นแสง-ชักนำให้เกิดอาการชักในบริเวณ CA1 ของฮิบโปแคมปัสผ่านทางออพโตเจเนติกส์
เท่าที่นักวิจัยทราบ งานนี้เป็นการสาธิตครั้งแรกของการตรวจวัดระบบประสาทระดับนาโนโฟโตนิก โดยปรับแต่งรูปแบบการปล่อยลำแสงผ่านข้อดีที่รวมกันของกำลังเอาต์พุตสูงและการออกแบบตัวปล่อยที่ยืดหยุ่น ช่วยให้สามารถ-ตอบสนองเครือข่ายเต็มรูปแบบต่อการกระตุ้นออพโตเจเนติก อุปกรณ์ตรวจสอบ light sheet ที่เสนอในบทความนี้สามารถใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างความก้าวหน้าในการพัฒนาอุปกรณ์ตรวจสอบระบบประสาทแบบมัลติฟังก์ชั่นสำหรับศึกษา-กิจกรรมเครือข่ายเต็มรูปแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเปลี่ยนแปลงของการชักในการวิจัยโรคลมบ้าหมู
โดยสรุป นักวิจัยได้สาธิต-แพลตฟอร์มวงจรรวมโฟโตนิก (PIC) ที่ให้บริการโดยโรงหล่อสำหรับการพัฒนาโพรบประสาทแบบฝังที่สามารถทำการบันทึกทางอิเล็กโทรฟิสิกส์วิทยาและการกระตุ้นแสงที่มีลวดลายไปพร้อมๆ กัน ความพิเศษของหัววัดนี้อยู่ที่การใช้เทคโนโลยีนาโนโฟโตนิกส์แบบบูรณาการเพื่อปรับแต่งรูปแบบการปล่อยแสงเพื่อกระตุ้นปริมาตรเนื้อเยื่อต่างๆ นอกเหนือจากการเปล่งลำแสงที่มีความแตกต่างต่ำ-เพื่อกระตุ้นการทำงานของเซลล์ที่พุ่งสูงขึ้นแล้ว ตัวปล่อยแผ่นแสงแบบบูรณาการซึ่งกระจายการแผ่รังสีไปตามก้านของโพรบเพื่อสร้างแสงสว่างในแนวระนาบ ยังสามารถขยายการประยุกต์ใช้โพรบประสาทโฟโตนิกแบบซิลิคอนเพื่อ-สอบสวนเครือข่ายเต็มรูปแบบที่ระดับความลึกเฉพาะ ในอนาคต การพัฒนาโพรบเหล่านี้เพื่อรองรับการปล่อยพลังงานที่สูงขึ้นและการกระจายแสงในวงกว้างสามารถใช้เพื่อกระตุ้นบริเวณสมองที่ใหญ่ขึ้นในสัตว์ฟันแทะหรือสัตว์ที่มีสมองขนาดใหญ่ ด้วยการผลิตแบบหล่อ นักวิจัยคาดหวังว่าการปลูกถ่ายประสาทแบบมัลติฟังก์ชั่นรุ่นใหม่สำหรับการกระตุ้นและการบันทึกประสาทหลายรูปแบบสามารถผลิตได้จำนวนมาก-เพื่อการเผยแพร่เทคโนโลยีนี้ในวงกว้างไปยังชุมชนประสาทวิทยาศาสตร์
ลิงค์กระดาษ:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3