Sondas de estimulación optogenética basadas en LED y CMOS con resolución de una sola neurona

La optogenética son herramientas de investigación avanzadas que permiten a los científicos controlar con precisión la actividad de las células cerebrales utilizando la luz. En los últimos años, las técnicas optogenéticas se han vuelto cada vez más avanzadas, lo que ha dado lugar a nuevos e interesantes descubrimientos sobre el cerebro y sus complejos procesos.

Investigadores de la Universidad de Columbia, la Universidad de Colonia y la Universidad de St. Andrews han desarrollado recientemente nuevos sensores para la estimulación optogenética de las neuronas del cerebro. Sus dispositivos, presentados en Electrónica de la naturalezaes notablemente preciso y logra una resolución de una sola neurona.

«La optogenética requiere la modificación genética de las neuronas, y se han logrado enormes avances en este frente desde el comienzo de la optogenética, haciendo que estas modificaciones sean más específicas y más eficientes», dijo a Medical Xpress Malte Gather, uno de los investigadores que realizó el estudio.

«Por el contrario, la parte ‘óptica’ de la optogenética (es decir, la entrega de luz) sigue siendo altamente invasiva (imagínese una ventana literal en el cráneo para proyectar un patrón elaborado de luz en el cerebro) o relativamente no específica (es decir, la luz se entrega a una gran área del cerebro, en lugar de apuntar a grupos individuales de células, y mucho menos a células individuales)”.

Gather lleva casi dos décadas desarrollando diodos emisores de luz orgánicos (OLED). En su último estudio, se propuso explorar la posible aplicación de estos dispositivos en el campo de la optogenética, en colaboración con el equipo de Ken Shepherd de la Universidad de Columbia.

«Me di cuenta de que la tecnología OLED podía ofrecer algo que otras tecnologías no podían ofrecer aquí», explicó Gaither.

«En la pantalla de un teléfono inteligente moderno, hay hasta un millón de pantallas OLED individuales, cada una de las cuales se puede encender/apagar con alta precisión temporal para formar una imagen clara y mostrar contenido dinámico. Esta capacidad es exclusiva de las pantallas OLED: convencionales, Los LED inorgánicos requieren sustratos especiales y, por lo tanto, no se pueden integrar fácilmente en placas posteriores de transistores que controlan el brillo en cada píxel individual.

El objetivo principal del trabajo reciente de Gather y sus colaboradores fue reducir y remodelar las pantallas OLED comúnmente integradas en los teléfonos inteligentes, logrando en última instancia un implante compacto y mínimamente invasivo. Luego, este implante se puede utilizar para controlar la actividad de neuronas individuales en el cerebro del animal utilizando luz.

«Nuestros sensores de estimulación combinan CMOS, la tecnología detrás de la mayoría de los chips de computadora modernos, con OLED, que constituyen el componente emisor de luz en las pantallas modernas», dijo Gaither.

«En primer lugar, se diseña y procesa un chip CMOS que puede controlar 1.000 pantallas OLED individuales para que adopte la forma de un tallo, con cuatro agujas delgadas, cada una de menos de 100 micrones de diámetro. Las almohadillas de contacto metálicas de este chip se han procesado cuidadosamente para hacerlo adecuado para depositar pantallas OLED directamente encima de la diapositiva».

Los investigadores mejoraron tanto el color como el brillo de las pantallas OLED que incorporaron a su sonda óptica. Luego depositaron estos elementos directamente sobre un chip incrustado, mediante un proceso de deposición al vacío.

Encima de las pantallas OLED pusieron una capa fuerte pero muy fina, de menos de 15 micras de espesor. Esta capa protectora garantiza que el dispositivo siga funcionando de forma segura y fiable después de implantarlo dentro del cerebro del animal.

«Para que la optogenética ayude a desentrañar algunos de los mayores misterios de la neurociencia y eventualmente encuentre uso en la clínica, necesitamos formas de controlar una gran cantidad de neuronas, con una alta resolución espaciotemporal y de una manera altamente paralela», dijo Gaither.

«Utilizando la tecnología que domina hoy en día las pantallas de los teléfonos inteligentes, es posible por primera vez aumentar el número de fuentes de luz en un implante a miles y tal vez a varios millones, proporcionando así una solución innovadora a este desafío de larga data».

En pruebas preliminares, los nuevos sensores de estimulación optogenética funcionaron notablemente bien, permitiendo a los investigadores activar con precisión neuronas individuales en regiones del cerebro de hasta 5 milímetros de profundidad. En el futuro, estos prometedores dispositivos podrían utilizarse para llevar a cabo una amplia gama de experimentos genéticos y de neurociencia, que pueden arrojar algo de luz sobre procesos cerebrales que aún no se conocen bien.

«Este trabajo fundamental genera muchas oportunidades nuevas, muchas de las cuales estamos trabajando activamente para explorar», añadió Gaither. «Un ejemplo aprovecha el hecho de que tanto la tecnología OLED como la CMOS escalan muy bien. En lugar de realizar un implante a la vez, estamos interesados ​​en explorar la fabricación de dispositivos a escala de oblea, además de realizar varias mejoras incrementales importantes en nuestra tecnología».