Genom det framväxande fältet optogenetik, en teknik som gör att genetiskt modifierade neuroner i levande vävnad kan kontrolleras exakt med hjälp av ljus, forskare försöker få en bättre förståelse för hur hjärnan fungerar i hopp om att upptäcka botemedel mot försvagande neurala störningar som posttraumatisk stressstörning (PTSD) och Alzheimers sjukdom.

En Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ingenjör, tillsammans med forskare vid University of Michigan och New York University (NYU), har tagit ett stort steg framåt för att möjliggöra "mångfärgad" optogenetisk kontroll av olika neurontyper. Laget, inklusive LLNLs Komal Kampasi, utvecklat ett nytt kiselbaserat neuralimplantat som kan styra hjärncellernas elektriska aktivitet genom att lysa flerfärgat ljus in i hjärnan hos vakna möss. Resultaten publicerades i Nature Microsystems &Nanoengineering och dök upp på tidskriftens juniomslag.

Tidningens huvudförfattare, Kampasi utförde sitt arbete som doktorand vid University of Michigan. Hon sa att tekniken öppnar nya vägar för neuralt kretsförhör, vilket hjälper forskare att bättre förstå organisationen och funktionen hos komplexa neurala kretsar.

"Medan de flesta forskningsområden inom optogenetik har fokuserat på att manipulera en neurontyp i taget genom att leverera monofärgat ljus, vår teknik erbjuder en mångfärg, fiberlös lösning för att kontrollera två eller flera rumsligt sammanblandade neuronpopulationer, "Kampasi förklarade." Detta är ett stort steg framåt inom optogenetik eftersom neurovetenskapare nu kan manipulera olika neurontyper på lokal kretsnivå samtidigt som de spelar in högkvalitativa, lågbrusande elektriska data från dessa celler. "

Kampasi, som kallade enheten en "teknisk milstolpe, "tillade att hennes teams design eliminerar användningen av skrymmande, invasiva optiska fibrer genom att integrera inbyggda mikrolasrar och vågledare för att leverera mångfärgat ljus, gör plattformen mycket mer kompakt, skalbar och mindre invasiv samtidigt som den optiska bibehålls, termiska och elektriska apparategenskaper som krävs för ett neuralimplantat.

National Institutes of Health (NIH) finansierade den treåriga studien som en del av White House BRAIN-initiativet-ett offentlig-privat samarbete för att revolutionera förståelsen av den mänskliga hjärnan. Den fokuserade på att utveckla avancerad neuroteknik för att studera tätare och djupare hjärnregioner som hippocampus, den del av hjärnan som är ansvarig för att skapa och behålla minnen. Kampasis lag, ledd av professor Euisik Yoon vid University of Michigan, utvecklade den flerfärgade neurala optoelektroden, som implanterades i hjärnan hos möss av Gyorgy Buzsakis team av neurovetenskapliga forskare vid NYU. Buzsakis team ville förstå hur minnen bildas och raderas genom att studera interaktionen mellan olika celltyper i hippocampus.

"Vi ville veta om vi exakt kunde kontrollera spikaktiviteten hos tätt sammanblandade neurontyper hos mösshippocampus; vi var extatiska när vi såg att vi kan, "Sa Kampasi." Sådan förmåga att manipulera flera celltyper, samtidigt och oberoende, på en specifik kretsplats är avgörande för att förstå samspelet mellan olika neurontyper och utgör en viktig väg i framtiden för neurovetenskaplig forskning. "

Ett av Kampasis nuvarande mål är att tillämpa tekniken på LLNL:s unika flexibla, tunna filmneurala sonder. LLNL:s elektrodmatriser har nyligen använts i flera studier för att registrera och stimulera hjärnaktivitet och har visat lång livslängd. Integrering av inbyggd flexibel optik på LLNLs enheter kommer att avsevärt förbättra kapaciteten hos befintliga nevrala sondarrays och möjliggöra nya studier som tidigare inte var möjliga, sa forskare.

"Genom att gifta mig med denna toppmoderna optiska stimuleringsförmåga med Livermores flexibla neurala sondteknologi, som visar exceptionell stabilitet och livslängd, vi arbetar för att utveckla ett första i sitt slag, flexibla polymerbaserade optoelektroder, "sade Shankar Sundaram, chef för LLNL:s Bioengineering Center. "Detta, i samklang med elektrofysiologiska inspelningar med hög densitet, lovar att kasta nytt ljus över hjärnans funktion. "