تعد المؤثرات البصرية الجينية المشفرة وراثيا، والمثبطات، ومؤشرات الفلورسنت أدوات مهمة في علم الأعصاب. تتيح تقنيات علم البصريات الوراثي معالجة دقيقة للدوائر العصبية باستخدام الضوء. ومع ذلك، فإن توهين الضوء يشكل تحديات أمام توصيل ضوء ذو شكل مكاني يتحكم في نطاق التحفيز إلى مناطق الدماغ العميقة.
وفقًا لشركة MEMS Consulting، مؤخرًا، تغلب باحثون من معهد ماكس بلانك لفيزياء البنية الدقيقة في ألمانيا على هذا التحدي من خلال مسبار عصبي من السيليكون قابل للزرع مع أقطاب كهربائية دقيقة متكاملة ودوائر نانوية ضوئية تم تصنيعها بواسطة مسبك. يمكن لهذا المسبار أن يصدر أنماط شعاع مصممة ذات طاقة عالية بما يكفي لتحفيز الأنشطة العصبية التي تتراوح من الارتفاعات الخلوية إلى استجابات الشبكة الكاملة-. في التجارب على الجسم الحي، تم تقييم المجسات التي تبعث أشعة متباعدة منخفضة أو صفائح ضوئية مستوية، وكلاهما يمكن أن يحفز الخلايا العصبية بشكل انتقائي على أعماق مختلفة. تظهر مقارنة الاستجابات المرتفعة التي أحدثوها أنه، بالمقارنة مع مسبار التباعد المنخفض-، يمكن لمسبار صفائح الضوء أن يحفز درجة أعلى من إجهاد معدل إطلاق النار عند شدة ضوء أقل. يمكن أن يؤدي مسبار الورقة الضوئية أيضًا إلى إحداث نوبات في الحصين لنموذج الفأر المصاب بالصرع مع الحفاظ على ارتفاع درجة الحرارة في حدود درجة واحدة. يمكن أن يؤدي دمج الأجهزة الإضافية، مثل مُضاعِفات الطول الموجي وأجهزة الكشف الضوئي، إلى تمكين عملية زرع متعددة الوظائف-لرسم خرائط نشاط الدماغ المتعددة-. ونشرت نتائج البحوث ذات الصلة في المجلةnpj الاستشعار الحيويتحت عنوان "المسابير العصبية النانوية القابلة للزرع من أجل التحفيز الضوئي المتكامل والتسجيل الفيزيولوجي الكهربي".
يظهر الشكل أدناه نظام المسبار العصبي النانوي المقترح في هذه الورقة. يعتبر المسبار سلبيًا ويستخدم-مصدر ليزر خارج الشريحة وإلكترونيات تسجيل لتقليل مخاطر تسخين الأنسجة. يتم توصيل كل مسبار بنظام مسح ليزر خارجي ولوحة دائرة للحصول على البيانات الكهربية من أجل التحفيز البصري المتزامن والتسجيل الكهربي. تم تصنيع المجسات العصبية النانوية على رقائق السيليكون بقطر 200- مم باستخدام الطباعة الحجرية فوق البنفسجية العميقة (DUV) في Advanced Micro Foundry.
رسم تخطيطي مفاهيمي لنظام المسبار العصبي النانوي
يتكون هذا المسبار من طبقة واحدة من نيتريد السيليكون (SiN) للأدلة الموجية الضوئية وثلاث طبقات من طبقات الأسلاك المعدنية المصنوعة من الألومنيوم (Al). يتم استخدام نيتريد التيتانيوم (TiN) لتشكيل أقطاب كهربائية سطحية متوافقة حيوياً. من خلال عملية الطحن الخلفي للرقاقة في المسبك متبوعة بتلميع ما بعد المعالجة-، يمكن تقليل سمك المسبار إلى 40 - 60 ميكرومتر.
نظرة عامة على المجسات العصبية المتكاملة مع الأقطاب الكهربائية الدقيقة
ولإثبات القدرة على تخصيص نمط انبعاث الشعاع، صمم الباحثون مجسات ذات شبكتين مختلفتين. النوع الأول من المسبار، يسمى "مسبار التباعد المنخفض (LD)، يصدر شعاعًا منخفض التباعد من ساق واحدة. يحتوي أحد مسبار التباعد المنخفض على 16 شبكة منتظمة و18 قطبًا كهربائيًا. النوع الثاني من المسبار، المسمى "مسبار الصفائح الضوئية (LS)"، يمكن أن ينبعث من الصفائح الضوئية لتحفيز بصري كامل -نطاق الشبكة عند عمق محدد. يحتوي مسبار صفائح الضوء الواحد على 4 سيقان مسبار يبلغ طولها 4 مم و5 بواعث صفائح ضوئية. يتم تشكيل ورقة الضوء من خلال الانبعاث المتداخل لـ 8 صفائف باعث شبكية على سيقان المسبار الأربعة.
توصيف المجسات
في التجارب التي أجريت على الجسم الحي، يمكن لكل من مسبار التباعد المنخفض ومسبار الصفائح الضوئية- تحفيز الخلايا العصبية بشكل انتقائي في أعماق مختلفة من القشرة. يوفر انبعاث الشعاع المستوي لمسبار الضوء-تغطية شعاعية أوسع، مما يحفز الخلايا العصبية حول سيقان المسبار الأربعة. بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع مسبار التباعد المنخفض-، فإن مسبار الصفائح الضوئية- يحفز استجابة كهروفيزيولوجية أقوى بكثافة مخرجات أقل، كما يتضح من إجهاد معدل إطلاق أقوى. علاوة على ذلك، فإنه يمكن أن يسبب نوبات في الحصين في نماذج الفئران المصابة بالصرع مع الحفاظ على الزيادة المتوقعة في درجة الحرارة أقل من<1 °C.
عرض توضيحي للتحفيز البصري الوراثي الانتقائي المكاني باستخدام مسبار ورقي خفيف-في الفئران اليقظة والرأسية-المثبتة.
في نموذج الفأر المصاب بالصرع، يُحدث مسبار الضوء-نوبات صرع في منطقة CA1 في الحصين من خلال علم البصريات الوراثي.
وعلى حد علم الباحثين، فإن هذا العمل هو أول عرض للمسبار العصبي النانوي. فهو يقوم بتخصيص نمط انبعاث الشعاع من خلال المزايا المجمعة لطاقة الخرج العالية وتصميم الباعث المرن، مما يتيح استجابة كاملة للشبكة-للتحفيز البصري الوراثي. يمكن أن يكون مسبار الورقة الضوئية المقترح في هذه الورقة بمثابة لبنة أساسية لتعزيز تطوير مجسات عصبية متعددة الوظائف لدراسة نشاط الشبكة الكامل-، وخاصة ديناميكيات النوبات في أبحاث الصرع.
باختصار، استعرض الباحثون منصة الدوائر المتكاملة الضوئية (PIC) التي قدمها المسبك لتطوير مجسات عصبية قابلة للزرع قادرة على إجراء تسجيلات فيزيولوجية كهربية وتحفيز الضوء المنقوش في نفس الوقت. يكمن تفرد هذا المسبار في استخدامه لتقنية الضوئيات النانوية المتكاملة لتخصيص نمط انبعاث الضوء لتحفيز أحجام الأنسجة المختلفة. بالإضافة إلى انبعاث أشعة ضوئية منخفضة التباعد- لتحفيز نشاط الارتفاع الخلوي، يمكن لباعث صفيحة الضوء المتكامل، الذي يوزع انبعاث الضوء على طول ساق المسبار لتوليد إضاءة مستوية، أن يوسع نطاق تطبيق المجسات العصبية الضوئية السيليكونية ليشمل -استجواب كامل للشبكة في أعماق محددة. في المستقبل، يمكن استخدام مزيد من التطوير لهذه المجسات لدعم انبعاث طاقة أعلى وتحقيق توزيع الضوء على نطاق واسع لتحفيز مناطق الدماغ الأكبر في القوارض أو الحيوانات ذات الأدمغة الأكبر. من خلال تصنيع المسابك، يتوقع الباحثون إمكانية إنتاج جيل جديد من الغرسات العصبية متعددة الوظائف للتحفيز العصبي متعدد الوسائط والتسجيل بكميات كبيرة-من أجل نشر هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في مجتمع علم الأعصاب.
رابط الورق:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3