在实验室或临床环境中可靠地跟踪和操纵哺乳动物的神经系统，使神经科学家能够检验他们的假设，这可能反过来导致新的重要发现。研究大脑最完善和广泛使用的技术是利用电极，这种设备可以监测或刺激周围的电活动。
然而，最近对小鼠、非人类灵长类动物和其他哺乳动物的研究也强调了光学和光遗传学技术在研究哺乳动物大脑神经元活动方面的前景。光学技术的优势在于，它们可以高精度地瞄准特定的神经元群，距离更远，跨越更大的皮层区域，使神经科学家能够细致地跟踪和调节神经活动。
尽管这些技术具有潜力，但它们通常依赖于使用笨重而复杂的实验室仪器，如台式显微镜。一些计算机科学家和工程师已经尝试引入体积更小、价格更便宜的解决方案，比如无透镜微型显微镜，通过执行计算来捕获和数字重建图像。然而，即使这些解决方案也有局限性，比如比基于透镜的光学技术分辨率低，计算需求更大。
哥伦比亚大学(Columbia University)、纽约大学(New York University)和其他研究机构的研究人员最近开发了一种新的皮下光学设备，可用于更精确地监测和刺激大脑。在《自然电子》杂志的一篇论文中介绍了这种装置，它依赖于一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的光学探头。
Eric H. Pollmann, Heyu Yin和他们的同事在他们的论文中写道:“在头戴式显微镜小型化方面已经取得了相当大的进展，但是现有的设备体积庞大，它们在人类身上的应用将需要一种更无创、完全植入式的外形因素。”“我们报告了一种超薄、小型化的硬膜下CMOS光学装置，用于双向光学刺激和记录。”
该团队的设备所基于的光学探针被称为SCOPe，它由一个灵活的、无透镜的薄微型显微镜和一个光学刺激器组成。值得注意的是，探针足够薄，可以放入灵长类动物大脑的硬脑膜下空间;覆盖哺乳动物大脑的两层组织之间的狭窄区域，称为硬脑膜和蛛网膜。
Pollmann, Yin和他们的同事写道:“我们使用了一种定制的CMOS应用专用集成电路，它既能进行荧光成像，也能进行光遗传刺激，创造了一个总厚度小于200微米的探针，它足够薄，可以完全位于灵长类动物大脑的硬脑膜下空间内。”“我们证明，该设备可用于小鼠模型的成像和光学刺激，也可用于解码非人类灵长类动物的运动速度。”
作为研究的一部分，研究人员在老鼠身上测试了他们的设备，成功地展示了它对老鼠大脑成像和光学刺激的前景。随后，他们还用他们的设备研究了非人类灵长类动物运动皮层神经元的活动。
他们在最初的测试中获得的结果非常有希望，因为该设备允许他们对整个感兴趣的大脑区域进行成像，同时还允许他们将动物的运动与大脑活动联系起来。在未来，这项有前景的新技术可能会为研究开辟有趣的可能性，使其他神经科学家能够在动物大脑中从事特定活动时，以一种侵入性较小的方式精确地操纵和监测特定神经元的活动。
更多信息:Eric H. Pollmann等人，一种用于双向神经接口的硬膜下CMOS光学器件。自然电子(2024)。期刊信息:Nature Electronics
?2024 Science X Network
引用:新型超薄光学设备可以精确捕获和刺激哺乳动物的大脑(2024年10月6日
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