最新Nat. Mat.：錐形光纖集成纖維電極用于去除光電偽影

一、導讀

? ? ? ? ?現代神經科學研究的核心在于破譯人類思維的神經機制和過程，其中破譯大腦功能背后的神經模式對于理解神經元如何組織成網絡至關重要，光遺傳學及其與光電設備的結合極大地促進了這種破譯。然而，特別是當光發射和記錄位置彼此靠近時針，對小腦容量會導致光電偽影，那么需要開發一種新的去除偽影的方式。

二、成果掠影

? ? ? ? ?近日，意大利Istituto Italiano di Tecnologia聯合美國馬薩諸塞州波士頓哈佛醫學院神經生物學系霍華德休斯醫學研究所等，報道了一種通過金屬涂層的微結構錐形光纖成為一種有效的系統，可以將光傳遞到大腦淺層或深部區域的受限腦容量。當應用錐形邊緣時，非平面雙光子聚合（2PP）允許對具有非恒定曲率半徑的表面進行全光學圖案化，從而能夠以幾乎任意的圖案和可定制的發光幾何形狀將多個電極放置在植入物周圍。首先在體外測試了纖維電極來表征光電偽影；然后，在小鼠大腦的大腦皮層和紋狀體中進行了體內電生理記錄，證明了空間受限的光遺傳學激活和局部場電位和動作電位的同時無人工制品的細胞外記錄。結果證實，有角度的發射允許在小腦區同時進行光遺傳學激活和神經活動的電讀出，而無需對光誘導的電偽影進行事后校正。因此，光纖電極代表了同時監控和調制局部神經網絡的強大工具。

三、核心創新點

? ? ? ? ?文章提出了一種新的設計概念 “纖維電極”，將微電極集成在錐形光纖（TF）。微電極放置在非常靠近發光位點（10 μm）的位置，但錐形的特殊光子特性與制造策略相結合，消除了光遺傳學光序列中的光電偽影。錐度作用于導模波矢量使照明圖案相對于纖維電極軸傾斜，從而防止直接照明電極，如蒙特卡羅模擬計算所證實的那樣。受刺激組織的體積可以通過改變光學窗口的大小和形狀來調整，不同大小的電極可以實現阻抗調諧。采用高分辨率圖案化技術來構造錐形的非平面表面，包括：

（1）聚焦離子束（FIB）處理以實現單個電極/窗口；

（2）非平面雙光子聚合（2PP）擴大方法。

四、數據概覽

圖1.電極制備工藝過程圖 ? 2022 The Authors

圖2.電特性和細胞外記錄 ? 2022 The Authors

圖3.透明溶液中的光發射特性和散射腦組織中的相關蒙特卡羅模擬? 2022 The Authors

圖4.PBS中的光致光電噪聲 ? 2022 The Authors

圖5.纖維電極的活體測試 ? 2022 The Authors

圖6.基于 2PP（非平面雙光子聚合）的圖案化工藝的可擴展性? 2022 The Authors

五、成果啟示

? ? ? ? ?以控制具有毫秒時間分辨率和細胞類型特異性的神經活動。利用錐形光纖的光子特性來開發集成的“纖維電極”，能夠通過減少光電噪聲來光學激活小腦容量。通過非平面微細加工將電極放置在非常靠近發光點的位置，具有角度的光發射允許在體內同時進行光遺傳學操作和一到三個神經元的電讀出，而沒有光電偽影。在彎曲的錐形邊緣上非常規地實施雙光子聚合，可以在植入物周圍制造重新編碼位點，使纖維電極成為平面微型植入物去除偽影的一種方式。

參考文獻：Spagnolo, B., Balena, A., Peixoto, R.T. et al. Tapered fibertrodes for optoelectrical neural interfacing in small brain volumes with reduced artefacts. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01272-8

本文由金爵供稿。