美國加州理工學院的研究項目可能會對動物行為帶來新的認知。

光片神經探針植入桿狀物的光學顯微鏡圖像（間距為141微米），納米光子光柵在桿狀物上發(fā)光形成光片（圖片來源：加州理工學院）

光片熒光顯微鏡（LSFM）通過薄平面照明方式，限制射向脆弱生物組織樣本的光強度。

這種方式通常是通過聚焦元件，直接由外部激光束產生激發(fā)光光片，但涉及到的光學元件可能無法對較大的活體樣本或對自然非透明的動物成像。

據麥姆斯咨詢介紹，微型發(fā)光元件是提高光片熒光顯微鏡適用性的關鍵因素，美國加州理工學院（California Institute of Technology，簡稱：Caltech）領導的研究團隊現已開發(fā)出了小型神經探針，可以植入動物的大腦中并產生適合用于熒光成像的激發(fā)光。這項研究發(fā)表在Neurophotonics期刊上。

該研究團隊在其論文中指出：“通過在大腦任意深處植入元件來產生光片，同時最大程度地減少組織移位，并保持與普通光片成像系統(tǒng)的兼容性，這仍然是一項未克服的艱巨挑戰(zhàn)。我們使用晶圓級納米光子技術突破了這項挑戰(zhàn)，實現了無需額外微光學元件的可植入硅基光片光子神經探針。”

該探針使用納米光子光柵耦合器組，周期性的蝕刻結構已經用于包括硅光子學在內的應用，在某些方向上衍射耦合光波，以創(chuàng)建一系列光波導。

根據論文描述，加州理工學院將其光柵耦合器集成到3毫米長、50到92微米厚的可植入的薄硅桿上，其錐度從82到60微米，逐漸變細，并且末端有尖銳的尖端。探針的設計適合在標準晶圓代工廠制造，以實現最終的擴展及大批量生產。

光片熒光顯微鏡技術的新突破

在實驗中，這種探針首先被用于成像懸浮在瓊脂中的熒光珠，然后是體外組織樣本，最后是體內腦組織。對于體內腦組織，使用了團隊最后設計的模型，光片神經探針插入的最大深度為200微米，并形成一定角度，使光片大致平行于大腦表面。

“這些探針具有5至10個可尋址的薄片，薄片平均厚度低于16微米，在自由空間中的傳播距離可達300微米。”論文中描述，“腦組織中的成像區(qū)域高達240 x 490微米。”

該探針的形狀和照明的幾何形狀最終應可以與梯度折射率（GRIN）透鏡內窺鏡和微型顯微鏡集成，從而有可能使光片熒光顯微鏡探測到比當前項目已驗證深度更深的大腦組織。

它們也可以很容易地與目前正在開發(fā)的一種新型植入式神經探針兼容，該探針包含光電探測器陣列，其中單光子雪崩二極管（SPAD）和片上轉換器可以將成像架構集成到單個CMOS集成電路中。

“這種可在大腦內產生光片的新型可植入光子神經探針技術，克服了許多在神經系統(tǒng)科學實驗中使用光片熒光成像的限制。”加州理工學院的Wesley Sacher說，“我們預測，這項技術將帶來光片顯微鏡的新突破，用于自由活動動物的大腦深部成像和行為實驗。”

責任編輯：lq