Los efectores, inhibidores e indicadores fluorescentes optogenéticos codificados genéticamente son herramientas importantes en la neurociencia. Las técnicas optogenéticas permiten una manipulación precisa de los circuitos neuronales utilizando luz. Sin embargo, la atenuación de la luz plantea desafíos para entregar luz con forma espacial que controle el rango de estimulación de las regiones profundas del cerebro.
Según MEMS Consulting, recientemente investigadores del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras de Alemania han superado este desafío mediante una sonda neuronal de silicio implantable con microelectrodos integrados y circuitos nanofotónicos fabricados por una fundición. Esta sonda puede emitir patrones de haz diseñados con una potencia suficientemente alta para estimular actividades neuronales que van desde picos celulares hasta respuestas-de red completa. Los experimentos in vivo evaluaron sondas que emiten haces de baja-divergencia o láminas de luz planas, los cuales pueden estimular selectivamente neuronas a diferentes profundidades. Una comparación de las respuestas de pico que indujeron muestra que, en comparación con la sonda de baja-divergencia, la sonda de lámina de luz puede inducir un mayor grado de fatiga en la velocidad de disparo a intensidades de luz más bajas. La sonda de lámina de luz también puede inducir convulsiones en el hipocampo de un modelo de epilepsia en ratones mientras mantiene el aumento de temperatura dentro de 1 grado. La integración de dispositivos adicionales, como multiplexores de longitud de onda y fotodetectores, puede permitir un implante multifuncional para el mapeo multi-de la actividad cerebral. Los resultados de la investigación relacionada fueron publicados en la revista.npj biosensoresbajo el título "Sondas neuronales nanofotónicas implantables para fotoestimulación con patrones integrados y registro electrofisiológico".
El sistema de sonda neuronal nanofotónica propuesto en este artículo se muestra en la siguiente figura. La sonda es pasiva y utiliza una fuente láser externa-y dispositivos electrónicos de grabación para minimizar el riesgo de calentamiento del tejido. Cada sonda está conectada a un sistema de escaneo láser externo y a una placa de circuito de adquisición de datos electrofisiológicos para estimulación óptica y registro electrofisiológico simultáneos. Las sondas neuronales nanofotónicas se fabricaron en obleas de silicio de 200-mm de diámetro utilizando litografía ultravioleta profunda (DUV) en Advanced Micro Foundry.
Diagrama conceptual del sistema de sonda neuronal nanofotónica.
Esta sonda consta de una sola capa de nitruro de silicio (SiN) para guías de ondas ópticas y tres capas de cableado metálico de aluminio (Al). El nitruro de titanio (TiN) se utiliza para formar microelectrodos de superficie biocompatibles. A través del proceso de rectificado de oblea de la fundición seguido de un pulido posterior al procesamiento, el espesor de la sonda se puede reducir a 40 - 60 µm.
Descripción general de las sondas neuronales integradas con microelectrodos
Para demostrar la capacidad de personalizar el patrón de emisión del haz, los investigadores diseñaron sondas con dos rejillas diferentes. El primer tipo de sonda, denominada "sonda de baja divergencia (LD)", emite un haz de baja divergencia desde un solo vástago. Una sonda de baja divergencia tiene 16 rejillas uniformes y 18 electrodos. El segundo tipo de sonda, denominada "sonda de lámina de luz (LS)", puede emitir una lámina de luz para una estimulación óptica de rango completo-de red a una profundidad específica. Una sonda de lámina de luz tiene 4 vástagos de sonda de 4 mm de largo y 5 emisores de lámina de luz. La lámina de luz está formada por la emisión superpuesta de 8 conjuntos de emisores de rejilla en los 4 vástagos de la sonda.
Caracterización de las sondas.
En experimentos in vivo, tanto la sonda de baja-divergencia como la sonda de lámina de luz-pueden estimular selectivamente neuronas en diferentes profundidades de la corteza. La emisión de haz plano de la sonda de hoja de luz-proporciona una cobertura de haz más amplia, estimulando las neuronas alrededor de los cuatro vástagos de la sonda. Además, en comparación con la sonda de baja-divergencia, la sonda de lámina de luz-induce una respuesta electrofisiológica más fuerte a una intensidad de salida más baja, como lo demuestra una mayor fatiga en la tasa de disparo. Además, puede inducir convulsiones en el hipocampo de modelos de ratones epilépticos manteniendo al mismo tiempo el aumento de temperatura esperado por debajo.<1 °C.
Demostración de estimulación optogenética espacialmente selectiva mediante una sonda de luz-lámina en ratones despiertos y con la cabeza-fija.
En el modelo de ratón epiléptico, la sonda de luz-lámina induce convulsiones en la región CA1 del hipocampo mediante optogenética.
Hasta donde saben los investigadores, este trabajo es la primera demostración de una sonda neuronal nanofotónica. Personaliza el patrón de emisión del haz a través de las ventajas combinadas de una alta potencia de salida y un diseño de emisor flexible, lo que permite una respuesta de red completa-a la estimulación optogenética. La sonda de lámina de luz propuesta en este artículo puede servir como elemento básico para avanzar en el desarrollo de sondas neuronales multifuncionales para estudiar la actividad de la red-completa, especialmente la dinámica de las convulsiones en la investigación de la epilepsia.
En resumen, los investigadores han demostrado una plataforma de circuito integrado fotónico (PIC) proporcionada por una fundición-para desarrollar sondas neuronales implantables capaces de realizar simultáneamente registros electrofisiológicos y estimulación de luz modelada. La singularidad de esta sonda radica en la utilización de tecnología nanofotónica integrada para personalizar el patrón de emisión de luz para estimular diferentes volúmenes de tejido. Además de emitir haces de luz de baja-divergencia para inducir la actividad de picos celulares, el emisor de lámina de luz integrado, que distribuye la emisión de luz a lo largo del vástago de la sonda para generar una iluminación plana, puede extender la aplicación de sondas neuronales fotónicas de silicio a una interrogación completa-de la red a profundidades específicas. En el futuro, un mayor desarrollo de estas sondas para soportar una mayor emisión de energía y lograr una distribución generalizada de la luz podría usarse para estimular regiones cerebrales más grandes en roedores o animales con cerebros más grandes. A través de la fabricación de fundición, los investigadores esperan que se pueda producir en masa-una nueva generación de implantes neuronales multifuncionales para estimulación y registro neuronal multimodal para la difusión generalizada de esta tecnología entre la comunidad de neurociencia.
Enlace del artículo:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3