μLED optrode for acute optogenetic applications

Abstract

The human brain remains among the most poorly understood organ despite all studies and efforts dedicated to it. Gathering knowledge on the brain mechanisms as a whole and individual networks has been a challenge in neuroscience. Advances in microtechnologies enabled the development of micrometer-sized devices or microsystems to interface and access a wide range of brain areas. The study of neural networks aims to understand neurophysiological processes and restore lost neural functionalities, in a way that catalyzes new diagnostic tools and treatments for brain disorders and diseases, such as Parkinson, Alzheimer, depression, etc. Optogenetics is a recent technique that has revolutionized scientists’ ability to control neurons by promoting excitation or inhibition from targeted cells sensitive to light. Optogenetic tools (known as optrodes) have shown cell-type neuromodulation with unique spatial resolution by delivering light on a cellular-scale with millisecond temporal precision. In the interest of developing a new tool for deeper understanding of the human brain and its mechanisms, this PhD thesis presents the development of an optrode microsystem capable of optical stimulation and simultaneous electrical recording. The photostimulation in the proposed device will be provided by a commercial light emitting diode (LED) chip. With this approach, the light source is directed to the target engineered neuron cells, in order to minimize losses of the emitted irradiance, a major issue of conventional fiber-based approaches. The manufacturing process of the LED-based optrode device comprehends only standard and low-cost microfabrication technologies, such as blade dicing, photolithography and physical vapor deposition. Fabrication results demonstrated mechanically robust optrodes consisting of 8 mm long and 600 m wide single-shafts with a sharp tip. The optrode dimensions were optimized in order to minimize tissue damage and shaft length was maximized to reach deep brain structures. Validation tests show that probes have good recording and optical features, with average impedance magnitude of 371 kΩ, at 1 kHz, and optical power of 1.2 mW.mm-2 (at 467 nm), respectively. The LED chip integrated in the optrode showed a peak wavelength at 467 nm and thus enables optogenetic experiments to be performed in engineered cells sensitive to blue light, e.g. neurons expressing channelrhodopsin-2 opsins. Overall, results show a device capable of meeting the requirements of a neural interface for recording and stimulating of brain activity, which suggests a promising tool for neuroscience.

O cérebro humano permanece um dos órgãos menos compreendidos, apesar de todos os estudos e esforços dedicados a tal. Angariar conhecimento acerca dos mecanismos cerebrais como um todo assim como circuitos neuronais individuais tem sido um desafio na área das neurociências. Os avanços nas microtecnologias permitiram o desenvolvimento de dispositivos na escala dos micrómetros ou microssistemas que fazem interface e acedem a uma vasta gama de áreas cerebrais. O estudo dos circuitos neuronais tem como objetivo compreender os processos neurofisiológicos e restaurar funcionalidades cerebrais perdidas, de forma que esses estudos possam catalisar novas ferramentas de diagnóstico e tratamentos para doenças e distúrbios de foro mental, tal como o Parkinson, Alzheimer, depressão, entre outros. Optogenética é uma técnica recente que revolucionou a capacidade dos cientistas de modular o funcionamento de neurónios promovendo a excitação ou inibição de células-alvo sensíveis à luz. Ferramentas que promovem optogenética (conhecidas por optrodes) têm demonstrado neuromodulação de grupos de células com resolução espacial única através da iluminação à escala celular e com uma precisão temporal de milissegundos. Na perspetiva de desenvolver uma ferramenta inovadora para um maior conhecimento de cérebro humano e os seus mecanismos, esta tese de doutoramento propõe o desenvolvimento de um microssistema optrode capaz simultaneamente de estimulação ótica e gravação elétrica de circuitos neuronais. No dispositivo proposto, a fotoestimulação será conseguida através de díodos emissores de luz (LEDs). Com esta abordagem, a fonte de luz é direcionada para as células neuronais modificadas de forma a minimizar as perdas de radiância ótica emitida, sendo esta uma das principais preocupações nas abordagens convencionais com fibra ótica. O processo de manufatura do optrode baseado em LEDs compreende apenas tecnologias de microfabricação padrão e de baixo custo, como a corte com lâmina, fotolitografia e deposição física de vapor. Os resultados do fabrico demonstraram optrodes mecanicamente robustos que consistem em sondas únicas, cada uma com 8 mm de comprimento, 600 m de largura e ponta afiada. As dimensões do optrode foram otimizadas de forma a minimizar o dano no tecido e o seu comprimento foi maximizado para aceder a estruturas neuronais profundas. Os testes de validação demostraram que os dispositivos têm boas caraterísticas funcionais de gravação e óticas, com uma magnitude da impedância de 371 kΩ, a 1 kHz, e ainda potência ótica de 1.2 mW.mm-2 (a 467 nm), respetivamente. Os LEDs integrados nos optrodes apresentam um pico de emissão aos 467 nm e, portanto, possibilita realizar estudos optogenéticos com células sensíveis à luz azul, por exemplo, neurónios que expressem opsinas channelrhodopsin-2. Em suma, os resultados demonstram um dispositivo que vai de encontro aos requisitos de uma interface neuronal com capacidade de gravação e estimulação da atividade neuronal. Isto sugere que o dispositivo poderá vir a ser uma ferramenta promissora na área de estudo das neurociências.