Matrices de micro-fils intégrées avec des puces CMOS pour l'enregistrement neuronal

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Technologies pour étudier l'activité neuronale

L’enregistrement de l’activité d’un nombre suffisant de neurones à des échelles de temps et des distributions spatiales significatives est l’un des principaux défis pour une meilleure compréhension du fonctionnement des ensembles neuronaux.

Les méthodes optiques sont de plus en plus utilisées, car elles permettent de surveiller l’activité sur une grande surface à partir de la même couche de tissu cérébral. En outre, elles sont intrinsèquement limitées à l’enregistrement à partir de structures superficielles du cerveau ou nécessitent l’utilisation de sondes ou une intervention chirurgicale pour fournir un accès à des régions cérébrales profondes.

Un certain nombre d’innovations ont été apportées à l’enregistrement électrique à l’aide de matériaux flexibles à la surface du cerveau, et les microélectrodes sont depuis longtemps la norme, mais leur nombre de canaux est limité en raison de la connexion, du déplacement volumétrique et des dommages tissulaires.

Dans le même temps, l’électronique continue d’évoluer à un rythme rapide, mais peu de ces améliorations technologiques font leur chemin vers les neurosciences in vivo.

Une nouvelle stratégie pour interfacer des puces avec des matrices de micro-fils tridimensionnels

Dans cet article, les auteurs rapportent une nouvelle stratégie pour tirer parti de l’évolutivité et de la puissance de composants électronique combinés à une interface neuronale 3D.

Cette interface neuronale consiste en un faisceau de micro-fils isolés accouplés perpendiculairement à des réseaux d’imagerie tels que ceux que l’on peut trouver dans les puces de caméra.

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En les organisant en faisceaux, les auteurs contrôlent la structure tridimensionnelle de l’extrémité distale, avec un plan de contact parallèle robuste sur le côté proximal qui est accouplé à un réseau de pixels.

La densité des micro-fils pour l’extrémité proximale et l’extrémité distale peut être modulée indépendamment, permettant à l’espacement fil à fil d’être personnalisé selon les besoins.

Conception et Fabrication

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  • (A) Procédure de fabrication des faisceaux de micro-fils.
    • (i) Les micro-fils individuels sont isolés électriquement avec un revêtement céramique ou polymère robuste.
    • (ii) Une couche sacrificielle est appliquée sur les fils pour assurer l’espacement.
    • (iii) Les pointes des micro-fils peuvent être façonnées avec une pointe angulaire.
    • (iv) Les fils sont ensuite regroupés par enroulement du fil ou par agrégation mécanique. Les fils s’entassent naturellement dans un réseau en nid d’abeille.
    • (v) Le faisceau est infiltré d’époxy biomédical pour maintenir les fils ensemble, puis l’extrémité supérieure (proximale) est polie pour s’accoupler à la puce CMOS.
    • (vi) L’extrémité proximale est gravée de 10 à 20 μm pour s’accoupler à la puce CMOS et l’extrémité distale des fils est libérée par gravure.
  • (B) Une vue au microscope électronique de rétrodiffusion d’un micro-fil individuel.
  • (C) Les fils se regroupent dans une structure en nid d’abeille et de l’époxy est infiltré entre les deux pour combler les lacunes.
  • (D) Extrémité proximale d’un faisceau de 177 fils après gravure afin d’exposer le fil conducteur.
  • (E) Déplacement volumétrique prévu des faisceaux de micro-fils en fonction de la distance fil à fil, déterminé par la taille du fil et l’épaisseur du revêtement sacrificiel.
  • (F) L’extrémité distale d’un faisceau de 600 fils de 7,5 μm W recouverts de 1 μm de verre après gravure (G et H). L’extrémité distale peut être façonnée avec précision pour accéder simultanément à différentes profondeurs dans le tissu.

Compatibilité et tests sur une rétine et sur le cortex moteur

Tests avec différentes matrices d'imagerie

Le processus décrit est très flexible et agnostique quant à l’identité de la puce; les auteurs ont réussi à créer des interfaces avec la puce de matrice d’imagerie d’une caméra Xenics Cheetah, avec une puce d’affichage à diode électroluminescente organique d’Olightek et avec un dispositif de matrice multi-électrodes.

Tests sur une rétine

Pour tester la capacité de l’appareil terminé à enregistrer l’activité neuronale sur une surface plane, les auteurs ont utilisé une préparation ex vivo de rétine de rat. Une membrane de dialyse a maintenu un petit morceau de rétine isolée contre le faisceau dans une chambre de perfusion, puis un faisceau de 138 fils a été abaissé en contact avec la rétine. Les pointes enregistrées présentaient des signatures unitaires typiques, c'est-à-dire un potentiel d'action détecté localisé sur un fil avec des pics plus petits sur les fils adjacents. Ces enregistrements rétiniens démontrent la capacité du système à enregistrer des unités individuelles à des taux d’acquisition de données élevés et à un rapport signal/bruit élevé.

Test sur un le cortex moteur

Ensuite, les chercheurs ont testé s’il était possible d'enregistrer l'activité neuronale dans les zones corticales et sous-corticales profondes à travers une grande région spatiale chez les rongeurs in vivo. Les enregistrements ont été effectués dans les 2 heures suivant l’implantation du faisceau dans des couches profondes de cortex moteur et somatosensoriel et du striatum dorsal. Les souris étaient autorisées à courir sur un tapis roulant sphérique, dans un état de contrainte de tête lors de l’enregistrement. Une activité neuronale a été facilement observée dans la plupart des fils des faisceaux à travers une couche horizontale. L’activité a été facilement observée dans la plupart des fils des faisceaux à travers une couche horizontale. Environ 100 à plus de 200 neurones putatifs ont été identifiés de manière fiable sur une grande zone horizontalement étendue dans chaque enregistrement au cours d’une session d’enregistrement typique de 5 minutes.

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Conclusion

L’imagerie conventionnelle à deux photons est généralement limitée temporellement et spatialement, alors les faisceaux de micro-fils couplés à des matrices CMOS peuvent enregistrer simultanément l’activité de dopage de centaines de neurones. En outre, la flexibilité sur la longueur de l’extrémité distale du faisceau avec précision permet des enregistrements denses à partir de zones normalement inaccessibles, telles que le striatum.

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