这一创新设计照亮了大脑深处的神经元

卡耐基梅隆大学的研究人员通过跨学科合作，发明了一种设计新颖的新型神经探针，改善了研究人员研究大脑深处神经元的方式。作品，发表于神经科学前沿该项目结合了CMU在材料科学、工程和生物科学方面的专业知识，推动了神经科学领域的发展。

神经探测不是新的 - 科学家一直在使用这些工具来记录大脑活动多年。当神经元活跃时，它们会产生一个电信号探测器可以记录下来。这让他们能够破解其中的奥秘神经回路是如何形成的以及神经元之间是如何相互交流的。现代神经科学需要双向神经探针，这意味着它们既能“写”，也能“读”。使用一种叫做“光遗传学”的技术，可以通过嵌入神经探针的小光源来刺激特定的神经元。

Chamanzar实验室开发的新探测器是双向的，并且是第一个使用集成的制造过程这使得工程师可以在一个灵活的可植入神经探针上直接建造许多微发光二极管(microled)。与传统的光学神经探针设计方式相比，这是一个巨大的变化。传统的设计是将商业化的微led附着在探针上，或者将微led安装在坚硬的探针衬底上，这可能会损害组织。

“现成的光源在过去已经被用于柔性神经探针，”领导这项工作的卡内基梅隆神经科学研究所(Carnegie Mellon Neuroscience Institute)电子和计算机工程助理教授梅萨姆·查曼扎尔(Maysam Chamanzar)说。“这通常涉及到一个接一个的微型led倒装键合的繁琐过程。此外，你可以在货架上购买的微型led非常大。”

为了创造定制的微型led, Chamanzar求助于电子和计算机工程教授Elias Towe。这种新型探针比人类头发丝的宽度还小，由一种柔性的、生物相容的聚合物制成，与传统的神经探针相比，对脑组织的损伤更小。新的设计允许研究人员设计任何大小或形状的微led，包括那些可以从两侧发光的，允许不同的神经刺激模式。

Towe的实验室设计了设备结构。伊布拉姆kimukin在Towe的实验室里使用了Jay W. Reddy，一个博士学位。Chamanzar实验室的学生和纸上的第一作者，制作和封装微升。

“综合制造过程打开了许多设计可能性，”雷迪说。“而不是一个尺寸适合的解决方案，我们可以制作满足神经科学区需求的定制设备。”

该探针设计的另一个新颖方面是集成架构，能够大规模缩放微led的数量，并在探针柄上记录电极。

Chamanzar说:“传统上，神经探头的通道数量和探头的宽度之间一直存在权衡。”“我们以矩阵形式为单个微led供电的新颖设计，使我们能够在不增加宽度的情况下最大化读写吞吐量探针并对脑组织造成重大损害。“

与生物学家合作创建解决神经科学中优秀技术需求的工具是Chamanzar的生命的工作。

“我们与神经科学家合作，了解应用程序空间中的真实需求，然后建立直接解决这些需求的新设备，”他说。“我们的论文显示了材料科学家，工程师和神经生物学家之间富有成效的合作的真实举例，为神经科学区引入有用的工具。”

艾莉森·巴斯，麦克斯韦和格洛丽亚·h·康南的生命科学教授，和她的实验室开发了实验方案，看看探针是否在脑组织中起作用。他们能够证明，激活微led可以触发靠近光源的神经元的峰值，为精细刺激方法提供了概念证明。

“我们正在积极努力确定神经电路的基本属性，”她解释说。“正如我们了解更多内容，我们可能对如何调节单独类型的神经元有何特定要求。这些工具对此非常有用。”

该技术可以帮助科学家了解涉及不同疾病病症的神经电路，包括动物模型中的帕金森病，甚至铺平了设计更准确的治疗干预措施。

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