遺伝的にコード化された光遺伝学的エフェクター、阻害剤、および蛍光指示薬は、神経科学における重要なツールです。光遺伝学技術により、光を使用した神経回路の正確な操作が可能になります。ただし、光の減衰により、刺激の範囲を制御する空間的に整形された光を脳深部領域に届ける際に課題が生じます。
MEMS Consulting によると、最近、ドイツのマックス プランク微細構造物理研究所の研究者らは、鋳造工場で製造された微小電極とナノフォトニック回路が統合された埋め込み型シリコン神経プローブによってこの課題を克服しました。このプローブは、細胞のスパイクから完全なネットワーク応答に至るまでの神経活動を刺激するのに十分な高出力で設計されたビーム パターンを放射できます。- in vivo 実験では、低発散ビームまたは平面ライトシートを放射するプローブを評価しました。どちらも、異なる深さのニューロンを選択的に刺激できます。{3}それらが誘発したスパイク応答を比較すると、低発散プローブと比較して、ライトシート プローブは、より低い光強度でより高い程度の発火率疲労を誘発する可能性があることが示されています。ライトシートプローブは、温度上昇を 1 度以内に抑えながら、てんかんマウスモデルの海馬に発作を誘発することもできます。波長マルチプレクサや光検出器などの追加デバイスを統合すると、マルチモーダルな脳活動マッピングのための多機能インプラントが可能になります。-関連する研究結果が雑誌に掲載されましたnpj バイオセンシング「統合されたパターン化された光刺激と電気生理学的記録のための埋め込み型ナノフォトニック神経プローブ」というタイトルで。
本論文で提案するナノフォトニック神経プローブシステムを下図に示します。このプローブは受動的で、オフチップのレーザー源と記録電子機器を使用して、組織が加熱されるリスクを最小限に抑えます。{1}各プローブは、光刺激と電気生理学的記録を同時に行うために、外部レーザー走査システムおよび電気生理学的データ収集回路基板に接続されています。ナノフォトニック神経プローブは、Advanced Micro Foundry の深紫外 (DUV) リソグラフィーを使用して、直径 200- mm のシリコン ウェーハ上に製造されました。
ナノフォトニック神経プローブシステムの概念図
このプローブは、光導波路の窒化シリコン（SiN）単層とアルミニウム（Al）金属配線層の3層で構成されています。窒化チタン (TiN) は、生体適合性表面微小電極の形成に使用されます。鋳造工場のウェーハ裏面研削プロセスとそれに続く後処理研磨により、プローブの厚さを 40 - 60 μm まで減らすことができます。
微小電極と一体化した神経プローブの概要
ビーム放射パターンをカスタマイズできることを実証するために、研究者らは 2 つの異なる格子を備えたプローブを設計しました。最初のタイプのプローブは「低発散 (LD) プローブ」と呼ばれ、単一のシャンクから低発散ビームを放射します。 1 つの低発散プローブには 16 個の均一な格子と 18 個の電極があります。 2 番目のタイプのプローブは「ライト シート (LS) プローブ」と呼ばれ、特定の深さでネットワーク全範囲の光刺激を行うためのライト シートを放射できます。- 1 つのライト シート プローブには、長さ 4 mm の 4 つのプローブ シャンクと 5 つのライト シート エミッターがあります。ライトシートは、4 つのプローブ シャンク上の 8 つの回折格子エミッター アレイの重なり合う発光によって形成されます。
プローブの特性評価
in vivo 実験では、低発散プローブとライトシート プローブの両方が、皮質のさまざまな深さにあるニューロンを選択的に刺激できます。{0}{1}ライトシート プローブの平面ビーム放射により、より広いビーム範囲が提供され、4 つのプローブ シャンクの周囲のニューロンが刺激されます。さらに、低発散プローブと比較して、ライトシート プローブは、より強い発火速度疲労によって証明されるように、より低い出力強度でより強い電気生理学的応答を誘発します。-。さらに、予想される体温上昇を以下に抑えながら、てんかんマウスモデルの海馬で発作を誘発することができます。<1 °C.
覚醒マウスと頭を固定したマウスにおけるライトシート プローブを使用した、空間選択的光遺伝学的刺激のデモンストレーション-。{1}}
てんかんマウス モデルでは、ライトシート プローブが光遺伝学を通じて海馬の CA1 領域に発作を誘発します。{0}
研究者らの知る限り、この研究はナノフォトニック神経プローブの最初の実証である。高出力と柔軟なエミッタ設計の利点を組み合わせてビーム放射パターンをカスタマイズし、光遺伝学的刺激に対する完全なネットワーク応答を可能にします。-この論文で提案したライトシート プローブは、完全なネットワーク活動、特にてんかん研究における発作ダイナミクスを研究するための多機能神経プローブの開発を進めるための基本的な構成要素として機能します。{3}}
要約すると、研究者らは、電気生理学的記録とパターン化された光刺激を同時に実行できる埋め込み型神経プローブを開発するために、ファウンドリが提供する光集積回路（PIC）プラットフォームを実証しました。{0}このプローブの独自性は、統合されたナノフォトニクス技術を利用して、さまざまな組織ボリュームを刺激するための発光パターンをカスタマイズできることにあります。低発散光ビームを放射して細胞スパイク活動を誘導することに加え、統合されたライトシートエミッターは、プローブシャンクに沿って発光を分散させて平面照明を生成するため、シリコンフォトニックニューラルプローブの用途を特定の深さでの完全なネットワーク問い合わせに拡張できます。-将来的には、より高出力の放射をサポートし、広範囲の光分布を達成するためにこれらのプローブがさらに開発され、げっ歯類やより大きな脳を持つ動物のより大きな脳領域を刺激するために使用できる可能性があります。研究者らは、鋳物製造を通じて、マルチモーダルな神経刺激と記録のための新世代の多機能神経インプラントを大量生産し、この技術を神経科学コミュニティに広く普及させることができると期待しています。-
論文リンク:
https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3