Электро

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3286 (2022) Цитировать эту статью

2695 Доступов

3 цитаты

169 Альтметрика

Подробности о метриках

Центральное место в нашем понимании нейронных цепей занимает разработка минимально инвазивных мультимодальных интерфейсов, способных одновременно записывать и модулировать нейронную активность. Последние устройства были сосредоточены на обеспечении механической податливости тканей для уменьшения воспалительных реакций. Однако для дальнейшего улучшения биосовместимости и возможностей долгосрочной записи необходимо уменьшение размера мультимодальных интерфейсов. Здесь представлена ​​конструкция мультимодального коаксиального микрозонда с минимально инвазивным размером (диаметром 8–14 мкм на длине миллиметра), который обеспечивает эффективный электрический и оптический опрос нейронных сетей. В мозге зонды позволили провести надежные электрические измерения и оптогенетическую стимуляцию. Масштабируемые стратегии изготовления могут использоваться с различными электрическими и оптическими материалами, что позволяет легко настраивать датчики в соответствии с экспериментальными требованиями, включая длину, диаметр и механические свойства. Учитывая их незначительную воспалительную реакцию, эти зонды обещают создать новое поколение легко настраиваемых мультимодальных устройств для долгосрочного, минимально инвазивного взаимодействия с нервными цепями.

Записи на микроэлектродах являются золотым стандартом для измерения активности отдельных нейронов с высоким временным разрешением в любом регионе нервной системы и имеют решающее значение для определения роли нейронных цепей в управлении поведением. Микроэлектродные массивы, такие как массивы в Юте или Мичигане, позволили отслеживать распределенную нейронную активность с точностью до миллисекунды1,2. Однако их большой размер и жесткость приводят к повреждению тканей и воспалению, что затрудняет долгосрочную запись3,4. Современные датчики Neuropixel и датчики из углеродного волокна усовершенствовали предыдущие устройства за счет увеличения плотности электродов и уменьшения размеров и жесткости датчиков5,6,7. Хотя эти зонды продвинули область нейронного взаимодействия, устройства следующего поколения должны обеспечивать целенаправленную стимуляцию в дополнение к колокализованной электрической записи3,8. Оптогенетические методы позволяют быстро модулировать клеточную активность посредством целевой экспрессии и активации светочувствительных опсинов9. Однако, учитывая сильное светорассеяние и высокие поглощающие свойства нервной ткани, оптогенетическое взаимодействие с глубокими нейронными цепями обычно требует имплантации жестких волокон большого диаметра, что может сделать этот подход более инвазивным, чем его электрический аналог10,11,12.

Идеальный нейронный зонд должен сочетать оптические и электрические режимы, сохраняя при этом небольшие размеры поперечного сечения и настраиваемую длину. Способность двунаправленного взаимодействия с генетически определенными типами нейронов и цепями является ключом к пониманию того, как нервная система вычисляет и контролирует поведение. Это также имеет фундаментальное значение для определения механистической основы сенсомоторных расстройств, определения того, как травма влияет на активность контуров и как ее можно восстановить или облегчить. Подходы к интеграции оптических и электрических модальностей варьировались от добавления оптоволокна к существующим массивам Юты до оптетрода или других интегрированных электрооптических коаксиальных структур13,14,15,16,17. Эти технологии показали большие перспективы для одновременной электрической записи и оптической стимуляции in vivo. Однако необходимость уменьшения занимаемой площади устройства для минимизации иммунных реакций при длительной записи все еще существует3,18,19,20,21.

В этой работе мы представляем, насколько нам известно, самый маленький мультимодальный коаксиальный нейронный зонд с электрическим каналом с низким импедансом, окружающим небольшое центральное оптоволоконное ядро. Эти электрооптические и механически гибкие (EO-Flex) зонды могут быть изготовлены диаметром всего 8 мкм и длиной до нескольких миллиметров с использованием сердечников из микроволоконного оптического волокна или даже меньшего диаметра с сердечниками из нановолоконного оптического волокна. Их также можно подключать непосредственно к одномодовым волокнам (SMF) для создания съемных оптических интерфейсов с низкими потерями, которые можно напрямую подключать к стандартному оптогенетическому оборудованию. На мозге мышей продемонстрирована одновременная электрическая запись и оптическая стимуляция зондов EO-Flex. Наши эксперименты показывают, что электрический канал из пористого металла обеспечивает превосходную записывающую способность даже при небольшом размере зонда. Низкие оптические потери от источника к кончику (<10 дБ) обеспечивают надежную оптогенетическую стимуляцию у трансгенных или вирусно трансдуцированных мышей, экспрессирующих опсины в клетках-мишенях. Исследования имплантатов показывают минимальные иммунные реакции, что позволяет предположить, что полностью настраиваемый зонд и будущие массивы высокой плотности должны обеспечить долгосрочное взаимодействие с минимальным нарушением окружающей нервной ткани.