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Jun 12, 2023

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

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Central para avançar nossa compreensão dos circuitos neurais é o desenvolvimento de interfaces multimodais minimamente invasivas, capazes de registrar e modular simultaneamente a atividade neural. Dispositivos recentes têm se concentrado 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 registo a longo prazo. Aqui é apresentado um projeto de microssonda coaxial multimodal com uma pegada minimamente invasiva (8–14 µm de diâmetro em comprimentos milimétricos) que permite 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 ​​de acordo com 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 facilmente ajustáveis ​​para interface minimamente invasiva de longo prazo com circuitos neurais.

As gravações de microeletrodos são o padrão ouro para medir a atividade dos 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 milissegundos . No entanto, sua grande pegada e rigidez levam a danos e inflamação nos tecidos 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 da próxima geração deverão permitir estimulação direcionada, além de registros elétricos colocalizados3,8. As técnicas optogenéticas permitem a modulação em alta velocidade da atividade celular através 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 normalmente requer a implantação de fibras rígidas de grande diâmetro, o que pode tornar esta abordagem mais invasiva do que a sua contraparte elétrica .

A sonda neural ideal combinaria modos ópticos e elétricos, mantendo pequenas dimensões transversais e comprimentos ajustáveis. A capacidade de interface bidirecional com tipos e circuitos de neurônios geneticamente definidos é a chave para, em última análise, sermos capazes de compreender como o sistema nervoso calcula e controla o comportamento. É também fundamental para determinar a base mecanicista 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 têm variado desde a adição de fibra óptica a matrizes existentes em Utah até o Optetrode ou outras estruturas coaxiais eletro-ópticas integradas . Essas tecnologias têm se mostrado muito promissoras para gravações elétricas simultâneas e estimulação óptica in vivo. No entanto, a necessidade de reduzir a pegada do dispositivo para minimizar as respostas imunitárias para registos 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 circundando 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 monomodo (SMFs) para criar interfaces ópticas removíveis e de baixa perda que podem ser conectadas diretamente ao hardware optogenético padrão. A gravação elétrica simultânea e o desempenho de estimulação óptica das sondas EO-Flex são demonstrados no cérebro do rato. 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 da fonte à ponta de <10 dB permitem estimulação optogenética robusta em camundongos transgênicos ou transduzidos por vírus que expressam opsinas em células alvo. Estudos de implantes mostram respostas imunológicas mínimas, sugerindo que a sonda totalmente personalizável e os futuros arranjos de alta densidade devem permitir uma interface de longo prazo com perturbação mínima no tecido neural circundante.