光片神經(jīng)探針植入桿狀物的光學(xué)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

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(qiáng)度。

這種方式通常是通過聚焦元件，直接由外部激光束產(chǎn)生激發(fā)光光片，但涉及到的光學(xué)元件可能無法對較大的活體樣本或?qū)ψ匀环峭该鞯膭游锍上瘛?/p>

據(jù)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(guān)鍵因素，美國加州理工學(xué)院（California Institute of Technology，簡稱：Caltech）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊現(xiàn)已開發(fā)出了小型神經(jīng)探針，可以植入動物的大腦中并產(chǎn)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(tuán)隊在其論文中指出：“通過在大腦任意深處植入元件來產(chǎn)生光片，同時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(shù)突破了這項挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了無需額外微光學(xué)元件的可植入硅基光片光子神經(jīng)探針?！?/p>

該探針使用納米光子光柵耦合器組，周期性的蝕刻結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于包括硅光子學(xué)在內(nèi)的應(yīng)用，在某些方向上衍射耦合光波，以創(chuàng)建一系列光波導(dǎo)。

根據(jù)論文描述，加州理工學(xué)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(xì)，并且末端有尖銳的。探針的設(shè)計適合在標(biāo)準(zhǔn)晶圓代工廠制造，以實現(xiàn)終的擴(kuò)展及大批量生產(chǎn)。

光片熒光顯微鏡技術(shù)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，后是體內(nèi)腦組織。對于體內(nèi)腦組織，使用了團(tuán)隊后設(shè)計的模型，光片神經(jīng)探針插入的深度為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(dá)300微米?！闭撐闹忻枋?，“腦組織中的成像區(qū)域高達(dá)240 x 490微米?！?/p>

該探針的形狀和照明的幾何形狀終應(yīng)可以與梯度折射率（GRIN）透鏡內(nèi)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(dāng)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(jīng)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(zhuǎn)換器可以將成像架構(gòu)集成到單個CMOS集成電路中。

“這種可在大腦內(nèi)產(chǎn)生光片的新型可植入光子神經(jīng)探針技術(shù)，克服了許多在神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)實驗中使用光片熒光成像的限制?！奔又堇砉W(xué)院的Wesley Sacher說，“我們預(yù)測，這項技術(shù)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?！?/p>