美國加州理工學(xué)院的研究項目可能會對動物行為帶來新的認知。
光片神經(jīng)探針植入桿狀物的光學(xué)顯微鏡圖像(間距為141微米),納米光子光柵在桿狀物上發(fā)光形成光片(圖片來源:加州理工學(xué)院)
光片熒光顯微鏡(LSFM)通過薄平面照明方式,限制射向脆弱生物組織樣本的光強度。
這種方式通常是通過聚焦元件,直接由外部激光束產(chǎn)生激發(fā)光光片,但涉及到的光學(xué)元件可能無法對較大的活體樣本或?qū)ψ匀环峭该鞯膭游锍上瘛?/p>
據(jù)麥姆斯咨詢介紹,微型發(fā)光元件是提高光片熒光顯微鏡適用性的關(guān)鍵因素,美國加州理工學(xué)院(California Institute of Technology,簡稱:Caltech)領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊現(xiàn)已開發(fā)出了小型神經(jīng)探針,可以植入動物的大腦中并產(chǎn)生適合用于熒光成像的激發(fā)光。這項研究發(fā)表在Neurophotonics期刊上。
該研究團隊在其論文中指出:“通過在大腦任意深處植入元件來產(chǎn)生光片,同時最大程度地減少組織移位,并保持與普通光片成像系統(tǒng)的兼容性,這仍然是一項未克服的艱巨挑戰(zhàn)。我們使用晶圓級納米光子技術(shù)突破了這項挑戰(zhàn),實現(xiàn)了無需額外微光學(xué)元件的可植入硅基光片光子神經(jīng)探針。”
該探針使用納米光子光柵耦合器組,周期性的蝕刻結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于包括硅光子學(xué)在內(nèi)的應(yīng)用,在某些方向上衍射耦合光波,以創(chuàng)建一系列光波導(dǎo)。
根據(jù)論文描述,加州理工學(xué)院將其光柵耦合器集成到3毫米長、50到92微米厚的可植入的薄硅桿上,其錐度從82到60微米,逐漸變細,并且末端有尖銳的尖端。探針的設(shè)計適合在標(biāo)準(zhǔn)晶圓代工廠制造,以實現(xiàn)最終的擴展及大批量生產(chǎn)。
光片熒光顯微鏡技術(shù)的新突破
在實驗中,這種探針首先被用于成像懸浮在瓊脂中的熒光珠,然后是體外組織樣本,最后是體內(nèi)腦組織。對于體內(nèi)腦組織,使用了團隊最后設(shè)計的模型,光片神經(jīng)探針插入的最大深度為200微米,并形成一定角度,使光片大致平行于大腦表面。
“這些探針具有5至10個可尋址的薄片,薄片平均厚度低于16微米,在自由空間中的傳播距離可達300微米?!闭撐闹忻枋觯澳X組織中的成像區(qū)域高達240 x 490微米?!?/p>
該探針的形狀和照明的幾何形狀最終應(yīng)可以與梯度折射率(GRIN)透鏡內(nèi)窺鏡和微型顯微鏡集成,從而有可能使光片熒光顯微鏡探測到比當(dāng)前項目已驗證深度更深的大腦組織。
它們也可以很容易地與目前正在開發(fā)的一種新型植入式神經(jīng)探針兼容,該探針包含光電探測器陣列,其中單光子雪崩二極管(SPAD)和片上轉(zhuǎn)換器可以將成像架構(gòu)集成到單個CMOS集成電路中。
“這種可在大腦內(nèi)產(chǎn)生光片的新型可植入光子神經(jīng)探針技術(shù),克服了許多在神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)實驗中使用光片熒光成像的限制?!奔又堇砉W(xué)院的Wesley Sacher說,“我們預(yù)測,這項技術(shù)將帶來光片顯微鏡的新突破,用于自由活動動物的大腦深部成像和行為實驗?!?/p>
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原文標(biāo)題:新型植入式探針助力實現(xiàn)活體大腦光片顯微成像
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