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Jun 09, 2023

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3286 (2022) Citar este artigo

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169 Altmétrica

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Central para o avanço de nossa compreensão dos circuitos neurais é o desenvolvimento de interfaces multimodais minimamente invasivas, capazes de registrar e modular simultaneamente a atividade neural. Dispositivos recentes se concentraram em combinar a complacência mecânica do tecido para reduzir as respostas inflamatórias. No entanto, são necessárias reduções no tamanho das interfaces multimodais para melhorar ainda mais a biocompatibilidade e as capacidades de gravação a longo prazo. Aqui é apresentado um projeto de microssonda coaxial multimodal com uma pegada minimamente invasiva (diâmetro de 8 a 14 µm em comprimentos de milímetro) que permite a interrogação elétrica e óptica eficiente de redes neurais. No cérebro, as sondas permitiram medições elétricas robustas e estimulação optogenética. Estratégias de fabricação escalonáveis ​​podem ser usadas com vários materiais elétricos e ópticos, tornando as sondas altamente personalizáveis ​​para os requisitos experimentais, incluindo comprimento, diâmetro e propriedades mecânicas. Dada a sua resposta inflamatória insignificante, essas sondas prometem permitir uma nova geração de dispositivos multimodais prontamente ajustáveis ​​para interface minimamente invasiva de longo prazo com circuitos neurais.

As gravações de microeletrodos são o padrão-ouro para medir a atividade de neurônios individuais em alta resolução temporal em qualquer região do sistema nervoso e são fundamentais para definir o papel dos circuitos neurais no controle do comportamento. Matrizes de microeletrodos, como as matrizes de Utah ou Michigan, permitiram o rastreamento da atividade neural distribuída com precisão de milissegundos1,2. No entanto, sua grande pegada e rigidez levam a danos nos tecidos e inflamação que dificultam registros de longo prazo3,4. As sondas Neuropixel e de fibra de carbono de última geração melhoraram esses dispositivos anteriores, aumentando a densidade do eletrodo e reduzindo as dimensões e a rigidez da sonda5,6,7. Embora essas sondas tenham avançado no campo da interface neural, os dispositivos de próxima geração devem permitir estimulação direcionada, além de registros elétricos colocalizados3,8. As técnicas optogenéticas permitem a modulação de alta velocidade da atividade celular por meio da expressão direcionada e ativação de opsinas sensíveis à luz9. No entanto, dada a forte dispersão de luz e as propriedades de alta absorção do tecido neural, a interface optogenética com circuitos neurais profundos geralmente requer a implantação de fibras rígidas de grande diâmetro, o que pode tornar essa abordagem mais invasiva do que sua contraparte elétrica10,11,12.

A sonda neural ideal combinaria modos ópticos e elétricos, mantendo pequenas dimensões de seção transversal e comprimentos ajustáveis. A capacidade de interagir bidirecionalmente com tipos e circuitos de neurônios geneticamente definidos é a chave para entender como o sistema nervoso computa e controla o comportamento. Também é fundamental para determinar a base mecanística dos distúrbios sensório-motores, definindo como a atividade do circuito é afetada pela lesão e como ela pode ser restaurada ou facilitada. As abordagens para a integração de modalidades ópticas e elétricas variaram desde a adição de fibra óptica a matrizes de Utah existentes até o Optetrode ou outras estruturas coaxiais eletro-ópticas integradas13,14,15,16,17. Essas tecnologias têm se mostrado uma grande promessa para gravações elétricas simultâneas e estimulação óptica in vivo. No entanto, a necessidade de reduzir a pegada do dispositivo para minimizar as respostas imunes para gravações de longo prazo ainda está presente3,18,19,20,21.

Neste trabalho, apresentamos, até onde sabemos, a menor sonda neural coaxial multimodal com um canal elétrico de baixa impedância envolvendo um pequeno núcleo central de fibra óptica. Essas sondas eletro-ópticas mecanicamente flexíveis (EO-Flex) podem ser fabricadas com diâmetros tão pequenos quanto 8 µm e comprimentos de até vários milímetros usando núcleos de guia de onda de microfibra óptica ou diâmetros ainda menores com núcleos de nanofibra óptica. Eles também podem ser ligados diretamente a fibras de modo único (SMFs) para criar interfaces ópticas destacáveis ​​e de baixa perda que podem ser conectadas diretamente ao hardware optogenético padrão. A gravação elétrica simultânea das sondas EO-Flex e o desempenho da estimulação óptica são demonstrados no cérebro de camundongos. Nossos experimentos mostram que o canal elétrico de metal poroso oferece excelente capacidade de gravação, mesmo com o tamanho pequeno da sonda. As baixas perdas ópticas fonte-ponta de <10 dB permitem uma estimulação optogenética robusta em camundongos transgênicos ou transduzidos viralmente que expressam opsinas em células-alvo. Estudos de implantes mostram respostas imunológicas mínimas, sugerindo que a sonda totalmente personalizável e as futuras matrizes de alta densidade devem permitir uma interface de longo prazo com o mínimo de perturbação no tecido neural circundante.