Las sondas implantables permiten la microscopía de láminas de luz dentro del cerebro vivo

Abril 23, 2021

La microscopía de fluorescencia de hoja de luz (LSFM) implica el uso de iluminación plana delgada como un medio para limitar el poder de la luz dirigida a una muestra de tejidos biológicos frágiles.

Este enfoque generalmente genera su hoja de luz de excitación directamente desde un rayo láser externo a través de elementos de enfoque, pero la óptica involucrada puede ser prohibitiva para la obtención de imágenes de especímenes vivos más grandes o para animales que no son naturalmente transparentes.

Un componente generador de luz miniaturizado sería un elemento clave para mejorar la aplicabilidad de LSFM, y un equipo dirigido por Caltech ahora ha desarrollado pequeñas sondas neuronales capaces de implantarse en el cerebro de un animal y generar la luz de excitación adecuada para la obtención de imágenes de fluorescencia. El trabajo fue publicado en Neurophotonics .

"Sigue siendo un desafío formidable y sin resolver generar láminas de luz mediante elementos implantables a profundidades cerebrales arbitrarias, mientras se minimiza el desplazamiento de tejido y se mantiene la compatibilidad con un sistema de imágenes de lámina normal", señaló el proyecto en su documento.

"Resolvemos estos desafíos utilizando tecnología nano fotónica a escala de obleas para realizar sondas neuronales fotónicas de lámina de luz implantables, basadas en silicio, que no requieren micro ópticas adicionales".

Las sondas utilizan conjuntos de acopladores de rejilla nano fotónicos, las estructuras grabadas periódicamente que ya se utilizan para difractar la luz acoplada en ciertas direcciones para aplicaciones que incluyen la fotónica de silicio, para crear una serie de guías de ondas ópticas.

Caltech integró sus acopladores de rejilla en mangos de silicio delgados, implantables, de 3 milímetros de longitud entre 50 y 92 micrones de espesor, ahusados ​​de 82 a 60 micrones de ancho y con puntas afiladas en los extremos distales, según la descripción en el artículo de Caltech. Las sondas fueron diseñadas para adaptarse a la fabricación en fundiciones estándar, para una eventual escalabilidad y producción en masa.

En los ensayos, las sondas se utilizaron primero para obtener imágenes de perlas fluorescentes suspendidas en agar, seguidas de muestras de tejido in vitro y finalmente tejidos cerebrales in vivo . Para este último, utilizando un prototipo del diseño del equipo final, la sonda neural de hoja de luz se insertó a una profundidad máxima de 200 micrones y se inclinó de modo que la hoja de luz fuera aproximadamente paralela a la superficie del cerebro.

"Las sondas tenían de 5 a 10 hojas direccionables y espesores de hoja promedio por debajo de 16 micrones para distancias de propagación de hasta 300 micrones en espacio libre", comentó el proyecto en su documento. "Las áreas de imágenes eran tan grandes como 240 por 490 micrones en el tejido cerebral".

El factor de forma y la geometría de iluminación de las sondas deberían permitir en última instancia la integración con endoscopios de lentes de índice de gradiente (GRIN) y microscopios en miniatura, lo que podría permitir una LSFM cerebral más profunda de lo que ha demostrado el proyecto actual.

También pueden ser fácilmente compatibles con una nueva clase de sondas neuronales implantables que contienen matrices de fotodetectores, actualmente en desarrollo, en las que los diodos de avalancha de fotón único y los convertidores en chip permiten integrar una arquitectura de imágenes en un solo circuito integrado CMOS.

"Esta nueva tecnología de sonda neural fotónica implantable para generar láminas de luz dentro del cerebro elude muchas de las limitaciones que han limitado el uso de imágenes de fluorescencia de láminas de luz en neurociencia experimental", dijo Wesley Sacher de Caltech.

"Predecimos que esta tecnología conducirá a nuevas variantes de microscopía de hoja de luz para la obtención de imágenes cerebrales profundas y experimentos de comportamiento con animales que se mueven libremente".

Fuente: https://optics.org/news/12/4/29