植入式光电极器件发展
发布时间：2021-06-14 15:12
光遗传技术为神经科学研究提供了一种可精准、快速控制单个神经元活动的手段。为了对神经元实现光遗传调控,将光安全、高效地导入脑内,需要专门的光电极（Optrode）给予支持。光电极是光遗传工具应用的重要组成部分,其功能是把光导入脑内调控神经元活动,同时记录神经元电信号在光调控下变化情况的一种植入式神经接口器件。随着光遗传技术在神经环路、认知与记忆等神经科学研究中应用的深入,以及其在癫痫、感官功能损伤等疾病治疗方面的探索,与光遗传技术相配合的光电极从材料选择、器件结构、给光方式和集成工艺等方面都呈现出百花齐放的发展态势,本文将按照现有植入式光电极的结构特点,将光电极器件分成基于波导型和基于微发光二极管型两大类,论述不同类别光电极器件优缺点及演进方向,对未来植入式光电极的理想结构形态及亟待解决的问题进行了讨论和展望。
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(12)北大核心SCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
(a)美国Neuronexus公司的光电刺激记录系统(b)经改造的“Utah光电极”21
2015年，Wu等40将锥体神经细胞大小的μLED和记录电极在硅衬底上进行了单片集成，此光电极具有4个针体，每个针体上有3个μLED和8个记录电极，如图5a所示。由于μLED的尺寸只有10μm×15μm，只需要微安量级的电流就能将此μLED驱动，驱动电流大于8μA时，就能满足刺激Ch R2的光功率要求，极大降低了器件功耗和产热。当μLED光强仅为60–120 n W时，可以激发此μLED附近一个或两个细胞产生动作电位并被临近的电极所记录。这种μLED与电极间的紧邻布局使光遗传技术对神经的调控可以达到单细胞的空间分辨率。μLED的尺寸选择、位置布局和发光控制都非常方便灵活，这使得同时光激发多个脑区的单神经元成为可能。2016年，半导体研究所裴为华组制备了基于蓝宝石衬底的μLED光电极41，其针体尺寸为5.5 mm长，280μm宽，如图5b所示，其中μLED的直径为120μm，周围分布了两组直径为16μm的tetrode电极。论文中对该光电极进行了电学测试、产热特性评估以及动物实验验证。2018年，Mendrela等42在吴凡工作的基础上，对光电极后端进行了改进，将12通道的μLED控制芯片和32的通道信号记录芯片集成在一起，做成了调控与记录一体的神经接口系统，如图5c所示，整套系统仅仅有1.9 g，几乎不影响小鼠的自由活动。而且可以单独刺激μLED附近指定的细胞，具有单细胞级的空间分辨率。μLED耗能低，方便采用无线供能的方式驱动43–45；且μLED在光电极上的位置可以根据所探究脑区的特征来设计，具有很大的灵活性和高集成度45；μLED光电极不需要光耦合，直接照射目标神经元，能量利用率高。
柔性植入器件具有与脑组织更匹配的物理机械性质，且更能适应运动造成的神经组织形变48,49，有利于光电极植入后，长时间的调控神经元活动与电记录。2013年，Rogers团队50制备了一种可植入到深部脑区的超薄、柔性、多功能光电极，如图6a所示，此光电极除了包括将衬底剥离的μLED和记录电极外，还包括亮度和温度检测器件。且采用无线供能，让实验动物真正地实现了无线缆羁绊的自由活动。实验中，通过植入光纤和多功能μLED光电极进行对比，柔性光电极植入产生的神经胶质细胞活化程度显著低于光纤植入，使用该无线光电极对小鼠的行为进行调控，且该器件在小鼠体内能稳定工作几个月。同年，Kwon团队51制备了使用铟锡氧化物(indium tin oxide,ITO)作为记录点的透明电极和商用μLED集成的柔性光电极。此光电极为了匹配小鼠视觉皮层双边半球的面积，包含两个面积为2.5 mm×2.5 mm的子阵列，每个阵列包含4×4个直径为200μm电极记录点和220μm×270μm的μLED，如图6b所示。2016年，上海交通大学刘景全团队52使用金丝压焊的方式将μLED绑定在已经做好了电极阵列的聚酰亚胺柔性衬底上，制备了一种柔性光电极。此光电极由16个220μm×270μm的μLED和16个Ir Ox修饰的记录电极构成。论文里通过实验验证了此光电极的柔性和使用寿命。2019年，Reddy等53制备了高密度、双面、柔性光电极。利用生物相容性和光学透明性较好的Parylene充当衬底和绝缘材料，此光电极有32个尺寸为22μm×22μm的μLED，电极正面和背面均排布了记录点，如图6c所示。柔性μLED光电极的优点是与动物的生物相容性高，植入后引起的免疫排斥反应小，记录的电生理信号信噪比高，能长时间在动物体内进行监测。4 讨论与总结
本文编号：3230094
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(12)北大核心SCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
(a)美国Neuronexus公司的光电刺激记录系统(b)经改造的“Utah光电极”21
2015年，Wu等40将锥体神经细胞大小的μLED和记录电极在硅衬底上进行了单片集成，此光电极具有4个针体，每个针体上有3个μLED和8个记录电极，如图5a所示。由于μLED的尺寸只有10μm×15μm，只需要微安量级的电流就能将此μLED驱动，驱动电流大于8μA时，就能满足刺激Ch R2的光功率要求，极大降低了器件功耗和产热。当μLED光强仅为60–120 n W时，可以激发此μLED附近一个或两个细胞产生动作电位并被临近的电极所记录。这种μLED与电极间的紧邻布局使光遗传技术对神经的调控可以达到单细胞的空间分辨率。μLED的尺寸选择、位置布局和发光控制都非常方便灵活，这使得同时光激发多个脑区的单神经元成为可能。2016年，半导体研究所裴为华组制备了基于蓝宝石衬底的μLED光电极41，其针体尺寸为5.5 mm长，280μm宽，如图5b所示，其中μLED的直径为120μm，周围分布了两组直径为16μm的tetrode电极。论文中对该光电极进行了电学测试、产热特性评估以及动物实验验证。2018年，Mendrela等42在吴凡工作的基础上，对光电极后端进行了改进，将12通道的μLED控制芯片和32的通道信号记录芯片集成在一起，做成了调控与记录一体的神经接口系统，如图5c所示，整套系统仅仅有1.9 g，几乎不影响小鼠的自由活动。而且可以单独刺激μLED附近指定的细胞，具有单细胞级的空间分辨率。μLED耗能低，方便采用无线供能的方式驱动43–45；且μLED在光电极上的位置可以根据所探究脑区的特征来设计，具有很大的灵活性和高集成度45；μLED光电极不需要光耦合，直接照射目标神经元，能量利用率高。
柔性植入器件具有与脑组织更匹配的物理机械性质，且更能适应运动造成的神经组织形变48,49，有利于光电极植入后，长时间的调控神经元活动与电记录。2013年，Rogers团队50制备了一种可植入到深部脑区的超薄、柔性、多功能光电极，如图6a所示，此光电极除了包括将衬底剥离的μLED和记录电极外，还包括亮度和温度检测器件。且采用无线供能，让实验动物真正地实现了无线缆羁绊的自由活动。实验中，通过植入光纤和多功能μLED光电极进行对比，柔性光电极植入产生的神经胶质细胞活化程度显著低于光纤植入，使用该无线光电极对小鼠的行为进行调控，且该器件在小鼠体内能稳定工作几个月。同年，Kwon团队51制备了使用铟锡氧化物(indium tin oxide,ITO)作为记录点的透明电极和商用μLED集成的柔性光电极。此光电极为了匹配小鼠视觉皮层双边半球的面积，包含两个面积为2.5 mm×2.5 mm的子阵列，每个阵列包含4×4个直径为200μm电极记录点和220μm×270μm的μLED，如图6b所示。2016年，上海交通大学刘景全团队52使用金丝压焊的方式将μLED绑定在已经做好了电极阵列的聚酰亚胺柔性衬底上，制备了一种柔性光电极。此光电极由16个220μm×270μm的μLED和16个Ir Ox修饰的记录电极构成。论文里通过实验验证了此光电极的柔性和使用寿命。2019年，Reddy等53制备了高密度、双面、柔性光电极。利用生物相容性和光学透明性较好的Parylene充当衬底和绝缘材料，此光电极有32个尺寸为22μm×22μm的μLED，电极正面和背面均排布了记录点，如图6c所示。柔性μLED光电极的优点是与动物的生物相容性高，植入后引起的免疫排斥反应小，记录的电生理信号信噪比高，能长时间在动物体内进行监测。4 讨论与总结
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