使用無線電源點亮微小的神經(jīng)刺激器

使用光遺傳技術，使用小于一粒米的微型線圈可以改善針對神經(jīng)元的可植入光學裝置。科學家可以利用這種方法傳播光脈沖，在轉基因神經(jīng)元中打開或關閉蛋白質表達。到目前為止，神經(jīng)科學家已經(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跨學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合，創(chuàng)建了一個感應充電系統(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)學植入物的一個關鍵安全性閾值。結果現(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神經(jīng)調節(jié)。他們在系統(tǒng)中使用雙線圈感應鏈路，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，光學反射器顯示出顯著增強的光強度。科學家控制了植入物生物相容性設置的操作溫度，并在大鼠體內(nèi)進行了實驗，隨后進行了組織學研究，以驗證無線光學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)科學中的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明最近由于神經(jīng)生物學系統(tǒng)中半導體植入物的進步而迅速發(fā)展，用于成功的臨床翻譯。例如，科學家可以在新的醫(yī)學方法中使用植入式“電療法”，以在治療干預期間靶向中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)。因此，光遺傳學正在神經(jīng)科學中尋找新的應用，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來了解通過活動模式驅動或抑制饑餓，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)制造的單通道光學神經(jīng)刺激器。h Rx線圈耦合單通道光學神經(jīng)刺激器。(i，j)光學刺激器由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)學中準確應用。該領域研究人員的開創(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，理想的無線光學植入物必須：

是毫米級(mm)的縮影，以防止侵入性手術感染，炎癥和手術后創(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，目的是人類應用。

設計這種植入物的一個重大挑戰(zhàn)是光學激活光遺傳學視蛋白所需的能量，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)來光學激發(fā)表達通道視紫紅質的神經(jīng)元。為了在動物模型中驗證設備的功能，科學家將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?？茖W家們使用自由漂浮法在硬腦膜頂部的開顱腔內(nèi)進行硬膜外光學神經(jīng)調節(jié)。

TOP：橫截面平面感應耦合的仿真模型。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：光學和熱學特性。(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皮質刺激的裝置的溫度變化組織切片(n = 3)。

科學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，并通過感應供電在臺式設置上激活神經(jīng)刺激器?？茖W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果。

汗等人。使用有限元法(FEM)和高頻結構刺激器(HFSS)軟件模擬Rx和Tx線圈之間的感應鏈路的電磁特性; 顯示模擬Tx線圈與工作中設計的線圈之間的相似性?？茖W家研究了光學特性，結果表明，與波導或穿透探針相比，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化研究，科學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。

使用免疫組織學進行系統(tǒng)驗證。(a)使用無線驅動的神經(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的c-Fos(d，f)表達分別從相同轉染動物的相同皮質區(qū)域獲得。(g，h)分別從未轉染的動物獲得的對照和刺激皮質的c-Fos表達。圖片來源：Microsystems&Nanoengineering，doi：10.1038 / s41378-019-0061-6

然后科學家們在轉染的大鼠體內(nèi)進行體內(nèi)實驗(將外源DNA導入細胞)，然后實施擬議的外科手術程序。他們按照免疫組織化學分析的實驗來驗證細胞轉染程序和隨后的光學刺激程序在大鼠中的功效。在轉染期間，它們用病毒溶液在動物模型中誘導通道視紫紅質-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)上用于隨后的光學刺激。科學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測定，并觀察到由實驗神經(jīng)刺激器的LED刺激誘導的病毒轉染的皮質(紅色)內(nèi)升高的c-Fos表達(綠色)。

通過這種方式，Khan等人。設計，制造和表征反射器耦合的無線單通道光學神經(jīng)刺激器，帶有mm尺寸的接收器線圈，用于光遺傳學神經(jīng)調節(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?？茖W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刺激觀察到的具有上調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)生物學應用的裝置小型化。