可植入式聚焦光栅发射器神经探针

hdy

引言

光遗传学技术的进展使科研人员能够通过光来精确控制神经活动。但由于生物组织的散射和吸收特性，将光传递到深层脑区仍面临挑战。本文介绍一种创新解决方案：具有纳米光电子光栅发射器的可植入式硅基神经探针，能在探针表面特定距离处实现光聚焦[1]。

1

设计原理与实现

这项技术的核心创新在于能够在探针表面上方的精确位置实现光聚焦，从而实现对神经元的靶向刺激，同时最大限度地减少对周围组织的损伤。探针采用氮化硅(SiN)波导，并结合特殊设计的光栅，将入射光转换为聚焦光束。

图1：光栅发射器设计原理图，包括(a)聚焦机制示意图，(b)488nm波长的相位图，(c)最终布局设计，以及(d,e)蓝光和红光发射器的模拟光束剖面。

设计采用全息原理创建光栅图案来调控输出光。光栅通过相位匹配条件精心设计，结合径向和球面相位波前。这种方法实现了在纵向和横向轴上向目标焦点的聚焦。

2

制造工艺与技术规格

神经探针在Advanced Micro Foundry (AMF)使用最先进的半导体制造技术生产。工艺采用193nm深紫外光刻技术在200mm硅晶圆上进行，包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅层。

图2：制造的探针图像，显示(a)标注主要组件的显微照片和光栅发射器的光学显微照片，以及(b)连接输入多芯光纤的探针照片。

探针尺寸非常紧凑，探针柄横截面约为100μm × 100μm。每个探针可容纳多达16个聚焦光栅发射器，每个发射器占用20μm × 60μm面积。设计针对两个关键波长：用于Channelrhodopsin-2的488nm和用于Chrimson光遗传执行器的594nm。

2

性能表征与分析

研究人员进行了广泛测试，验证探针在不同介质中的聚焦能力。表征过程采用多种复杂的测量技术来捕获发射模式。

图3：侧视剖面测量，显示(a)测量装置示意图，(b)488nm发射剖面，以及(c)在荧光染料溶液中594nm发射剖面。

初步表征使用荧光染料溶液来可视化光束模式。蓝光(488nm)使用荧光素钠染料，而红光(594nm)则使用磺基罗丹明101(德克萨斯红)进行可视化。

图4：全面的三维表征，显示(a)测量装置，(b-d)488nm发射结果，以及(e-g)594nm发射结果，包括横截面剖面和光束腰测量。

3

组织集成与实际性能

研究团队使用表达基因编码钙离子指示剂(GECIs)的固定脑组织，验证了探针在生物环境中的聚焦能力。

图5：固定组织中聚焦验证，显示(a)实验装置示意图，(b)植入探针的照片，(c)蓝光发射荧光剖面，以及(d)红光发射及相应光束宽度测量。

结果表明在组织中成功实现聚焦，蓝光和红光发射器的光束腰分别为8.4μm和9.1μm。虽然由于组织效应，这些测量值大于非散射介质中的测量值，但仍在典型神经元胞体尺寸范围内。

图6：模拟与实验结果比较，显示(a-c)蓝光发射器性能和(d-f)红光发射器在组织中的性能，包括理论预测和实际测量。

研究团队开发了复杂的散射模型来理解和预测探针在组织中的性能。这些模型有助于解释在荧光溶液与实际脑组织中测量结果的差异。

4

应用前景

这项技术在光遗传工具领域取得重要进展，为深部脑刺激提供精确控制。在探针表面特定距离处聚焦光的能力，使靶向激活神经元的同时最小化对周围组织的损伤。

实验证明，探针在焦点处能提供足够的光学功率（约80 mW/mm²）进行光遗传激活，并具有精确的空间控制能力。技术与标准半导体制造工艺的兼容性表明具有良好的量产潜力。