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Jun 12, 2023

Nature Communications volume 13、記事番号: 3286 (2022) この記事を引用

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神経回路の理解を進める上で中心となるのは、神経活動の記録と調節を同時に行える低侵襲性のマルチモーダルインターフェースを開発することです。 最近のデバイスは、炎症反応を軽減するために組織の機械的コンプライアンスを適合させることに重点を置いています。 ただし、生体適合性と長期記録機能をさらに向上させるには、マルチモーダル インターフェイスのサイズを縮小する必要があります。 ここでは、ニューラルネットワークの効率的な電気的および光学的調査を可能にする、侵襲性を最小限に抑えた設置面積 (ミリメートル長で直径 8 ～ 14 μm) を備えたマルチモーダル同軸マイクロプローブの設計を紹介します。 脳内では、プローブにより堅牢な電気測定と光遺伝学的刺激が可能になりました。 スケーラブルな製造戦略をさまざまな電気材料および光学材料で使用できるため、長さ、直径、機械的特性などの実験要件に合わせてプローブを高度にカスタマイズできます。 炎症反応が無視できることを考えると、これらのプローブは、長期的かつ低侵襲性で神経回路とインターフェースするための、容易に調整可能な新世代のマルチモーダルデバイスを可能にすることが期待されます。

微小電極記録は、あらゆる神経系領域において個々のニューロンの活動を高い時間分解能で測定するためのゴールドスタンダードであり、行動の制御における神経回路の役割を定義する上で中心となります。 ユタ アレイやミシガン アレイなどの微小電極アレイにより、分散した神経活動をミリ秒の精度で追跡できるようになりました 1,2。 ただし、その設置面積と剛性が大きいため、組織の損傷や炎症が発生し、長期の記録が妨げられます 3,4。 最先端の Neuropixel プローブとカーボンファイバープローブは、電極密度を高め、プローブの寸法と剛性を低減することにより、これらの以前のデバイスを改良しています5、6、7。 これらのプローブは神経インターフェースの分野を進歩させましたが、次世代デバイスでは、共局在化された電気記録に加えて、標的を絞った刺激が可能になるはずです 3,8。 光遺伝学的技術は、光感受性オプシンの標的発現と活性化を通じて細胞活動の高速調節を可能にします9。 しかし、神経組織の強い光散乱と高い吸収特性を考慮すると、深部神経回路との光遺伝学的インターフェースには通常、大径の硬質ファイバーの移植が必要であり、このアプローチは電気的な対応物よりも侵襲性が高くなる可能性があります10、11、12。

理想的な神経プローブは、小さな断面寸法と調整可能な長さを維持しながら、光学モードと電気モードを組み合わせるものです。 遺伝的に定義されたニューロンの種類および回路と双方向に接続できる能力は、神経系がどのように動作を計算し制御するかを最終的に理解できるようにするための鍵となります。 また、感覚運動障害のメカニズムの基礎を決定し、回路活動が傷害によってどのように影響を受けるか、またそれがどのように回復または促進されるかを定義するための基礎でもあります。 光モダリティと電気モダリティを統合するアプローチは、既存のユタアレイへの光ファイバーの追加から、オプテトロードまたはその他の統合された電気光学同軸構造まで多岐にわたります13、14、15、16、17。 これらの技術は、生体内での電気的記録と光刺激の同時実行に大きな期待を寄せています。 ただし、長期間の記録では免疫反応を最小限に抑えるためにデバイスの設置面積を削減する必要性は依然として存在します3、18、19、20、21。

この研究では、私たちの知る限り、小さな中央の光ファイバーコアを取り囲む低インピーダンス電気チャネルを備えた最小のマルチモーダル同軸神経プローブを紹介します。 これらの電気光学機械的フレキシブル (EO-Flex) プローブは、マイクロファイバー光導波路コアを使用するか、ナノファイバー光コアを使用する場合はさらに小さな直径を使用して、最小 8 μm の直径と最大数ミリメートルの長さで製造できます。 また、シングルモード ファイバー (SMF) に直接結合して、標準的な光遺伝学的ハードウェアに直接接続できる取り外し可能な低損失の光インターフェイスを作成することもできます。 EO-Flex プローブの電気的記録と光刺激の同時性能は、マウスの脳で実証されています。 私たちの実験では、多孔質金属電気チャネルが、プローブのサイズが小さくても優れた記録能力を提供することを示しています。 ソースからチップまでの光損失が 10 dB 未満と低いため、標的細胞でオプシンを発現するトランスジェニックまたはウイルス形質導入マウスにおいて強力な光遺伝学的刺激が可能になります。 インプラント研究では最小限の免疫反応が示されており、完全にカスタマイズ可能なプローブと将来の高密度アレイにより、周囲の神経組織への妨害を最小限に抑えながら長期的なインターフェースが可能になることが示唆されています。