集成微电极的植入式纳米光子神经探针，用于光刺激和电生理记录
2025-04-19 15:50:50 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员通过代工厂制造了集成微电极和纳米光子电路的植入式硅神经探针，该探针能够发射出经过设计的光束模式，且具有足够高的功率，从而激发从细胞尖峰到全网络响应的神经活动。
基因编码的光遗传学效应器、抑制剂和荧光指示器是神经科学中的重要工具。光遗传学技术能够利用光精确地操纵神经回路。然而，光衰减对将控制刺激范围的空间整形光传递到大脑深部区域提出了挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，德国马克斯·普朗克微结构物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）的研究人员通过代工厂制造的集成微电极和纳米光子电路的植入式硅神经探针，克服了这一挑战。该探针能够发射出经过设计的光束模式，且具有足够高的功率，从而激发从细胞尖峰到全网络响应的神经活动。体内实验评估了发射低发散光束或平面光片的探针，这两种探针都可以选择性地刺激不同深度的神经元。对它们所诱发的尖峰响应的比较表明，与低发散探针相比，光片探针在较低光强下能够诱发更高程度的放电率疲劳。光片探针还可以在癫痫小鼠模型的海马体中诱发癫痫发作，同时保持温度升高不超过1 °C。集成额外的器件，例如波长多路复用器和光电探测器，可以实现多模式大脑活动映射的多功能植入物。相关研究成果以“Implantable nanophotonic neural probes for integrated patterned photostimulation and electrophysiological recording”为题发表在npj Biosensing期刊上。
本文所提出的纳米光子神经探针系统如下图所示。该探针是无源的，使用片外激光源和记录电子器件，最大限度地降低了组织发热的风险。每个探针都连接到外部激光扫描系统和电生理数据采集电路板，用于同时进行光刺激和电生理记录。在Advanced Micro Foundry，使用深紫外（DUV）光刻技术在直径200 mm的硅晶圆上制造了纳米光子神经探针。
纳米光子神经探针系统的概念图
该探针由用于光波导的单层氮化硅（SiN）和三层铝（Al）金属布线层组成。氮化钛（TiN）用于形成生物相容性表面微电极。通过代工厂的晶圆背面研磨工艺，然后进行后处理抛光，探针厚度可以减小到40-60 µm。
集成微电极的神经探针概览
为了展示定制光束发射模式的能力，研究人员设计了两种不同光栅的探针。第一种探针类型，称为“低发散（LD）探针”，从单柄发射低发散光束。一个低发散探针有16个均匀光栅和18个电极。第二种探针类型，称为“光片（LS）探针”，可发射光片，用于特定深度的全网络范围的光刺激。一个光片探针有4个4 mm长的探针柄和5个光片发射器。光片是由4个探针柄上的8个光栅发射器阵列重叠发射而形成的。
探针的表征
在体内实验中，低发散探针和光片探针都可以选择性地刺激皮层不同深度的神经元，光片探针的平面光束发射提供了较宽的光束覆盖范围，刺激了四个探针柄周围的神经元。此外，与低发散探针相比，光片探针在较低的输出强度下诱导更强的电生理反应，如更强的放电率疲劳所证明的那样，并且可以在将预期的温度升高保持在<1 °C的同时，在癫痫小鼠模型的海马体中诱导癫痫发作。
在清醒且头部固定的小鼠体内利用光片探针进行空间选择性光遗传学刺激的演示
在癫痫小鼠模型中，光片探针在海马体CA1区通过光遗传学诱发癫痫发作
据研究人员所知，这项工作是纳米光子神经探针的首次演示，它通过高输出功率和灵活的发射器设计的组合优势来定制光束发射模式，从而实现光遗传学刺激的全网络范围响应。本文所提出的光片探针可以作为一个基础构建块，推进多功能神经探针的发展，以用于研究全网络范围的活动，特别是癫痫研究中的癫痫发作动力学。
总而言之，研究人员已经展示了一种代工厂提供的光子集成电路（PIC）平台，用于开发能够同时进行电生理记录和模式化光刺激的植入式神经探针。该探针的独特之处在于利用集成的纳米光子学技术来定制光发射模式，以刺激不同的组织体积。除了发射低发散光束以诱发细胞尖峰活动外，集成光片发射器，将光发射分布在探针柄上以产生平面照明，可以将硅光子神经探针的应用扩展到特定深度的全网络范围的询问。未来，对这些探针进行进一步开发，使其能够支持更高功率的发射并实现光的广泛分布，可用于刺激啮齿动物或大脑更大动物的较大脑区。通过代工厂制造，研究人员预计用于多模式神经刺激和记录的新一代多功能神经植入物可以大规模制造，以便向神经科学界广泛传播该技术。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44328-025-00024-3
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