使用無線電源點亮微小的神經(jīng)刺激器

使用光遺傳技術(shù)，使用小于一粒米的微型線圈可以改善針對神經(jīng)元的可植入光學(xué)裝置?？茖W(xué)家可以利用這種方法傳播光脈沖，在轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元中打開或關(guān)閉蛋白質(zhì)表達。到目前為止，神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)使用笨重的電纜和電池來控制和收集來自這些實驗裝置的數(shù)據(jù)。在最近的一項研究中，Wasif Khan和美國電子與計算機工程與生理學(xué)跨學(xué)科的一組研究人員開發(fā)了一種完全無線的原型來取代龐大的硬件。

為此，該團隊將微型發(fā)光二極管(LED)與兩個毫米級線圈相結(jié)合，創(chuàng)建了一個感應(yīng)充電系統(tǒng)，在實驗性嚙齒動物(大鼠)模型中以生物安全頻率提供瞬時功率。的無線設(shè)置中刺激神經(jīng)元視覺皮層，同時保持溫度升高低于1 0 C作為用于生物醫(yī)學(xué)植入物的一個關(guān)鍵安全性閾值。結(jié)果現(xiàn)已發(fā)布在Microsystems和Nanoengineering上。

汗等人。他介紹了一種單通道神經(jīng)刺激器，它包含一個反射器耦合的微型發(fā)光二極管(μLED)和一個集成的毫米級無線接收器(R X)線圈。實驗裝置允許自由浮動，無電池，不受限制的光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)節(jié)。他們在系統(tǒng)中使用雙線圈感應(yīng)鏈路，以低工作頻率(<100 MHz)提供瞬時功率，以實現(xiàn)連續(xù)光學(xué)刺激。

該過程對電磁輻射造成最小的侵入性和組織暴露。當他們將微型反射器耦合到μLED時，與裸μLED相比，光學(xué)反射器顯示出顯著增強的光強度。科學(xué)家控制了植入物生物相容性設(shè)置的操作溫度，并在大鼠體內(nèi)進行了實驗，隨后進行了組織學(xué)研究，以驗證無線光學(xué)刺激在動物模型的初級視覺皮層中的功效。他們使用c-Fos生物標記物可視化該過程，該標記物在免疫染色時顯示為綠色，作為光誘發(fā)神經(jīng)元活動的報告物。

神經(jīng)科學(xué)中的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明最近由于神經(jīng)生物學(xué)系統(tǒng)中半導(dǎo)體植入物的進步而迅速發(fā)展，用于成功的臨床翻譯。例如，科學(xué)家可以在新的醫(yī)學(xué)方法中使用植入式“電療法”，以在治療干預(yù)期間靶向中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)。因此，光遺傳學(xué)正在神經(jīng)科學(xué)中尋找新的應(yīng)用，將光傳遞給感興趣的神經(jīng)組織，同時使用靶向控制工具從細胞中收集讀數(shù)。

將微型光源，記錄電極，傳感器和其他組件植入大腦的指定區(qū)域的能力再次激發(fā)了對長期診斷和治療的樂觀。利用這些發(fā)展，科學(xué)家們可以研究將初級感覺信息傳遞到大腦的特定區(qū)域，包括嗅覺，視覺和聽覺區(qū)域的深度。他們還可以使用該技術(shù)來了解通過活動模式驅(qū)動或抑制饑餓，口渴，能量平衡和呼吸等基本生物活動的細胞。

表征結(jié)果和操作原型的圖像。(a，b)蝕刻的Si腔的SEM圖像。(c，d)分別對腔體進行后涂層和先前的Al涂層。(e，f)用于??腔表面粗糙度的定量分析的AFM圖像(以μm為單位的x軸單位，以nm為單位的y軸)。(g)制造的單通道光學(xué)神經(jīng)刺激器。h Rx線圈耦合單通道光學(xué)神經(jīng)刺激器。(i，j)光學(xué)刺激器由Tx線圈無線供電。圖片來源：Microsystems&Nanoengineering，doi：10.1038 / s41378-019-0061-6

光遺傳學(xué)必須針對神經(jīng)群體，而不改變動物模型的自然行為，以便在醫(yī)學(xué)中準確應(yīng)用。該領(lǐng)域研究人員的開創(chuàng)性工作已經(jīng)開發(fā)出幾種具有中場射頻(RF)和遠場功率傳輸?shù)膬?yōu)化神經(jīng)刺激器。然而，科學(xué)家尚未報道完全可植入和小型化的高壓(HV)刺激器，它可以對感興趣的參數(shù)進行精確的刺激控制。因此，理想的無線光學(xué)植入物必須：

是毫米級(mm)的縮影，以防止侵入性手術(shù)感染，炎癥和手術(shù)后創(chuàng)傷。

允許高效的功率傳輸和與深部區(qū)域目標神經(jīng)元的長距離通信，目的是人類應(yīng)用。

設(shè)計這種植入物的一個重大挑戰(zhàn)是光學(xué)激活光遺傳學(xué)視蛋白所需的能量，其通常包括幾mW，盡管大于常規(guī)電刺激或數(shù)據(jù)通信的值。為了解決這一挑戰(zhàn)，Khan及其同事提出了一種完全可植入的迷你無線光學(xué)刺激器，可為μLED操作提供足夠的功率 - 而不會超過工作溫度。在所提出的系統(tǒng)中，它們包括螺線管發(fā)射器(T X)線圈和接收器(R X)單元。

在提出的原型的概念驗證中，Khan等人。使用270μm×220μm表面積的藍色μLED(465nm波長)來光學(xué)激發(fā)表達通道視紫紅質(zhì)的神經(jīng)元。為了在動物模型中驗證設(shè)備的功能，科學(xué)家將Tx線圈放置在大腦外并將其電感耦合到Rx線圈，Rx線圈集成到放置在開顱腔內(nèi)的μLED神經(jīng)刺激器。科學(xué)家們使用自由漂浮法在硬腦膜頂部的開顱腔內(nèi)進行硬膜外光學(xué)神經(jīng)調(diào)節(jié)。

TOP：橫截面平面感應(yīng)耦合的仿真模型。平面3指的是Tx線圈的底平面(z軸位移，z = 0)，平面1,2,4分別指z = 2.5mm，z = 1mm和z = -1mm。(a)HFSS中的模擬模型。(b)平面1，(c)平面2，(d)平面3和(e)平面的磁通分布4.在平面2處由Rx線圈感應(yīng)磁通量，而Rx位于f Tx中心并且g Tx周邊。色彩圖圖例中提供的通量分布單位。底部：光學(xué)和熱學(xué)特性。(a)透過具有耦合反射器的組織切片的光穿透(n = 5)，(b)與裸μ-LED相比，反射器耦合刺激器的強度改善，和(c)通過500μm皮質(zhì)刺激的裝置的溫度變化組織切片(n = 3)。

科學(xué)家使用掃描電子顯微鏡測試了原型的表面形態(tài)，觀察了各向同性硅蝕刻和表面鋁涂層后的腔陣列。然后，他們使用原子力顯微鏡測試表面粗糙度，以檢測產(chǎn)生可忽略的光散射的表面，以獲得最佳增強的光強度，并通過感應(yīng)供電在臺式設(shè)置上激活神經(jīng)刺激器?？茖W(xué)家們還摻入聚對二甲苯-C工程師由于材料的固有的生物相容性的構(gòu)建體中，雖然他們觀察到潛在的裂紋如前如在工程過程高的溫度的結(jié)果。

汗等人。使用有限元法(FEM)和高頻結(jié)構(gòu)刺激器(HFSS)軟件模擬Rx和Tx線圈之間的感應(yīng)鏈路的電磁特性; 顯示模擬Tx線圈與工作中設(shè)計的線圈之間的相似性。科學(xué)家研究了光學(xué)特性，結(jié)果表明，與波導(dǎo)或穿透探針相比，神經(jīng)刺激器可以更少侵入性地進入深部腦細胞。雖然數(shù)據(jù)顯示反射器耦合刺激器的優(yōu)異光學(xué)性能，但是隨著較厚的組織切片，強度顯著降低。與裸露的刺激器相比，目前的工作中反射器耦合刺激器的強度明顯更高有效的深部腦刺激，無深部腦組織侵犯。汗等人。類似地測試和優(yōu)化了神經(jīng)刺激器原型的熱特性，電磁特性和功率傳遞效率。為了在動物模型中進行轉(zhuǎn)化研究，科學(xué)家們提出將諧振器線圈植入顱骨和皮膚之間，而不需要連接到Tx或Rx線圈。

使用免疫組織學(xué)進行系統(tǒng)驗證。(a)使用無線驅(qū)動的神經(jīng)刺激器在麻醉的大鼠的V1上進行體內(nèi)刺激。(b)使用細胞分選定量表示c-Fos表達的細胞。mCherry(c，e)的熒光圖像以及對照和刺激皮質(zhì)的c-Fos(d，f)表達分別從相同轉(zhuǎn)染動物的相同皮質(zhì)區(qū)域獲得。(g，h)分別從未轉(zhuǎn)染的動物獲得的對照和刺激皮質(zhì)的c-Fos表達。圖片來源：Microsystems&Nanoengineering，doi：10.1038 / s41378-019-0061-6

然后科學(xué)家們在轉(zhuǎn)染的大鼠體內(nèi)進行體內(nèi)實驗(將外源DNA導(dǎo)入細胞)，然后實施擬議的外科手術(shù)程序。他們按照免疫組織化學(xué)分析的實驗來驗證細胞轉(zhuǎn)染程序和隨后的光學(xué)刺激程序在大鼠中的功效。在轉(zhuǎn)染期間，它們用病毒溶液在動物模型中誘導(dǎo)通道視紫紅質(zhì)-2的表達，然后將盤繞的刺激物置于動物的初級視覺皮層(V1葉)上用于隨后的光學(xué)刺激?？茖W(xué)家將盤繞的刺激器與Tx線圈耦合，并使用相同動物的另一個V1葉作為對照樣品。

在完成體內(nèi)實驗后，科學(xué)家們分析了c-Fos(綠色染料)在受刺激和未受刺激的葉中的表達，以確定神經(jīng)活動。為此，Khan等人。在工作中使用免疫生物學(xué)測定，并觀察到由實驗神經(jīng)刺激器的LED刺激誘導(dǎo)的病毒轉(zhuǎn)染的皮質(zhì)(紅色)內(nèi)升高的c-Fos表達(綠色)。

通過這種方式，Khan等人。設(shè)計，制造和表征反射器耦合的無線單通道光學(xué)神經(jīng)刺激器，帶有mm尺寸的接收器線圈，用于光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)節(jié)。與目前工作中的裸μLED相比，反射器耦合刺激器允許更高的性能。科學(xué)家研究了雙線圈遙測的性能使用分析電路模型，F(xiàn)EM刺激和實驗方法進行鏈接。他們驗證了在通過光學(xué)刺激觀察到的具有上調(diào)的細胞活性的大鼠模型中神經(jīng)刺激器的建議潛力。汗等人。將致力于在未來進行進一步的研究，以使神經(jīng)生物學(xué)應(yīng)用的裝置小型化。