ファイバーレス、大規模光電気生理インターフェースによる微小スケールでの複数脳領域間相互作用

科学分野:

• 神経科学
• 生体医工学
• 光電子工学

背景:

• 複雑な脳ネットワークの理解には、同時神経記録および刺激のための高時間空間解像度ツールが必要である。
• CMOSプローブなどの既存技術には、微小スケール相互作用および刺激能力に限界がある。
• 光遺伝学はニューロン特異的な刺激を提供するが、従来のメソッドは大規模な照明量による非特異的な摂動を引き起こす。

研究 の 目的:

• マイクロLED光電極、CMOS IC、フレキシブルインターポーザーを統合した完全統合型ヘッドステージを、小型化実装のために開発する。
• 高時間空間精度でのニューロンとの微小スケールでの双方向相互作用を可能にする。
• 複数の脳領域にわたる局所的な刺激と記録を提供することで、光遺伝学を進歩させる。

主な方法:

• 記録電極とマイクロ発光ダイオード（μLED）を統合するための高度なマイクロマシニング技術。
• 低消費電力で面積効率の高い回路によって可能になるマイクロ秒、独立した384チャネル相互作用。
• ポリイミドケーブルベースシステムを使用したコンパクトで信頼性の高いハイブリッドアセンブリ。

主要な成果:

• 高チャネル密度（0.56チャネル/mm²）を達成したコンパクトで軽量なヘッドステージ（23.8×28.8 mm²、3.5g）。
• トランスジェニックマウスでの生体内実現可能性を実証し、160以上のニューロンを特定。
• 局所的な光遺伝学的刺激による局所的および広範囲の効果を示した。

結論:

• ハイブリッド統合された大規模光電気生理インターフェースプロトタイプを実装することに成功した。
• 生体内でのシステムの実現可能性を確認し、ニューラルインターフェース技術における重要な進歩を表す。
• この完全に統合されたプラットフォームは、以前のμLEDベースプローブの機能を、完全な高性能システムに拡張する。