发明设计在大脑中深度亮神经元
Carnegie Mellon University的研究人员之间的跨学科合作制作了一种具有创新设计的新型神经探头，改善了研究人员在大脑深处研究神经元的方式。这项工作，发表在神经科学的前沿该项目结合了CMU在材料科学、工程和生物科学方面的专业知识，推动了神经科学领域的发展。
神经探针并不是新发明——科学家多年来一直在使用这些工具记录大脑活动。当神经元活跃时，它们会产生电信号探针可以记录。这允许他们破译神经回路形成以及神经元如何互相交谈。现代神经科学需要双向神经探针，这意味着它们可以“写作”以及“阅读”。使用称为“Optimetics的技术”，可以使用来自嵌入神经探针中的小光源的光来刺激特定神经元。
Chamanzar Lab中开发的新探头是双向的，首先使用集成的探针制造过程这使得工程师可以在一个灵活的可植入神经探针上直接建造许多微发光二极管(microled)。与传统的光学神经探针设计方式相比，这是一个巨大的变化。传统的设计是将商业化的微led附着在探针上，或者将微led安装在坚硬的探针衬底上，这可能会损害组织。
“现成的光源在过去已经被用于柔性神经探针，”领导这项工作的卡内基梅隆神经科学研究所(Carnegie Mellon Neuroscience Institute)电子和计算机工程助理教授梅萨姆·查曼扎尔(Maysam Chamanzar)说。“这通常涉及到一个接一个的微型led倒装键合的繁琐过程。此外，你可以在货架上购买的微型led非常大。”
为了创造定制的微型led, Chamanzar求助于电子和计算机工程教授Elias Towe。这种新型探针比人类头发丝的宽度还小，由一种柔性的、生物相容的聚合物制成，与传统的神经探针相比，对脑组织的损伤更小。新的设计允许研究人员设计任何大小或形状的微led，包括那些可以从两侧发光的，允许不同的神经刺激模式。
Towe的实验室设计了该装置的结构。Towe实验室的Ibrahim Kimukin与Chamanzar实验室的博士生、论文第一作者Jay W. Reddy一起制作并封装了微型led。
“集成的制造过程开启了如此多的设计可能性，”Reddy说。“我们可以定制满足神经科学社区需求的设备，而不是一刀切的解决方案。”
该探针设计的另一个新颖方面是集成架构，能够大规模缩放微led的数量，并在探针柄上记录电极。
Chamanzar说:“传统上，神经探头的通道数量和探头的宽度之间一直存在权衡。”“我们以矩阵形式为单个微led供电的新颖设计，使我们能够在不增加宽度的情况下最大化读写吞吐量探测并对脑组织造成严重损害。”
与生物学家合作，创造能够满足神经科学中杰出技术需求的工具，是Chamanzar毕生的工作。
他说:“我们与神经科学家合作，了解应用领域的真正需求，然后制造新的设备，直接满足这些需求。”“我们的论文展示了材料科学家、工程师和神经生物学家之间卓有成效的合作的一个真实例子，为神经科学社区介绍了一个有用的工具。”
艾莉森·巴斯，麦克斯韦和格洛丽亚·h·康南的生命科学教授，和她的实验室开发了实验方案，看看探针是否在脑组织中起作用。他们能够证明，激活微led可以触发靠近光源的神经元的峰值，为精细刺激方法提供了概念证明。
“我们正在积极研究识别神经回路的基本特性，”她解释说。“随着我们了解的更多，我们可能会对如何调节不同类型的神经元有非常具体的要求。这些工具可能非常有用。”
这项技术可以帮助科学家了解涉及不同疾病的神经回路，包括动物模型中的帕金森氏症，甚至为设计更精确的治疗干预措施铺平道路。
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