บาคาร่าเว็บตรง อาร์เรย์ microLED แบบฝังที่บางเฉียบช่วยให้สมองสว่างขึ้น

บาคาร่าเว็บตรง กระตุ้นสมอง: การสแกนภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอาร์เรย์ microLED ที่มีโครงสร้างกลวง (ซ้าย); การปล่อยสีฟ้าสดใสจากฟิล์มอาร์เรย์ microLED ที่ยืดหยุ่นได้ (ขวา) ออปโตเจเนติกส์ – การใช้แสงเพื่อจัดการกับเซลล์ประสาทในสมอง – สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกลไกที่อยู่เบื้องหลังการทำงานของสมองได้ดีขึ้น และการเชื่อมโยงการทำงานของระบบประสาทและความผิดปกติของสมอง อย่างไรก็ตาม 

ในการใช้ประโยชน์จากศักยภาพของเทคนิคนี้อย่างเต็มที่ 

จำเป็นต้องมีวิธีการกระตุ้นการมองเห็นเฉพาะส่วนทั่วทั้งสมอง ด้วยเป้าหมายนี้ ทีมวิจัยที่เป็นผู้นำในญี่ปุ่นจึงได้พัฒนาฟิล์มอาร์เรย์ microLED ที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งสามารถยึดติดกับพื้นผิวสมองและส่องสว่างบริเวณสมองแต่ละส่วนหรือหลายส่วนเพื่อกระตุ้นออปโตเจเนติกส์ นักวิจัยอธิบายอุปกรณ์ในApplied Physics Express

ในการสร้างอุปกรณ์กระตุ้นชีวภาพที่ปลูกถ่ายได้ ผู้เขียนคนแรกHiroto Sekiguchiจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Toyohashi ได้พัฒนาวิธีการกำหนดรูปแบบชั้นของ microLEDs ได้อย่างแม่นยำบนแผ่นฟิล์มบางเฉียบที่มีความยืดหยุ่นสูง Sekiguchi และเพื่อนร่วมงานได้เลือกโพลีเมอร์ parylene C ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพเป็นฟิล์มพื้นฐานเนื่องจากความทนทานและความยืดหยุ่น งานแรกของพวกเขาคือการกำหนดความหนาของฟิล์มที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้สมดุลการโค้งงอกับความเปราะบาง การทดลองการห่อเพื่อตรวจสอบผลกระทบของรัศมีความโค้งต่อการยึดเกาะของฟิล์มเปิดเผยว่าความหนาของพาร์ริลีน 11 µm ให้การยึดเกาะและความทนทานที่เพียงพอ

ต่อไป นักวิจัยได้กำหนดวิธีการในการผลิตไมโครไฟ LED 

แบบอินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) ที่มีความหนาแน่นสูงและมีโครงสร้างกลวง พวกเขาจัดเรียง microLED ขนาด 80 x 80 µm ซึ่งปล่อยแสง 450 nm ในอาร์เรย์ 7 × 6 บนตาราง 1 มม. โครงสร้างกลวงแยกชั้น LED ออกจากพื้นผิว ทำให้สามารถใช้แผ่นระบายความร้อนเพื่อถ่ายโอนชั้นของ microLED ไปยังแผ่นฟิล์ม parylene โดยไม่ต้องหมุนหรือวางผิดแนว

การผลิต MicroLED

การสร้างฟิล์ม microLED ที่ยืดหยุ่น: การก่อตัวของ microLED ที่มีโครงสร้างกลวง (แถวบนสุด); เทคโนโลยีการถ่ายโอนรวม (แถวล่าง) (มารยาท: ©มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีโทโยฮาชิ)

microLED ที่ติดฟิล์มทำให้เกิดการปล่อยสีฟ้าสดใส ซึ่งคงอยู่แม้ในขณะที่ฟิล์มงอ การเปรียบเทียบลักษณะเฉพาะของกระแส-แรงดันก่อนและหลังกระบวนการถ่ายโอนพบว่ากระบวนการไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของ microLED

การตรวจสอบออปโตเจเนติกส์ต้องการค่าเอาต์พุตแสงในช่วง 0.1–1 mW/mm 2  เพื่อเปิดใช้งาน channelrhodopsin-2 (ChR2 ซึ่งเป็นเครื่องมือออปโตเจเนติกส์แรกที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย) นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการขับ microLED เดี่ยวที่ 0.5 mA จะสร้างแสงสีน้ำเงินที่มีเอาต์พุต 22 mW/ mm 2

เพื่อตรวจสอบความปลอดภัยของการกระตุ้นด้วยแสงเกี่ยวกับการให้ความร้อนของเนื้อเยื่อ นักวิจัยได้คำนวณอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสำหรับแสงที่ออกมาประมาณ 10 mW / mm2 พวกเขาสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในอากาศ 1.6 °C ซึ่งน้อยกว่าค่าสูงสุดที่ระบุไว้ในแนวทางสำหรับอุปกรณ์ฝังตัว (2 °C) ซึ่งบ่งชี้ว่าอุปกรณ์จะปลอดภัยต่อการใช้งานในร่างกาย

สุดท้าย เพื่อทดสอบการทำงานของฟิล์มอาร์เรย์ 

microLED ที่ยืดหยุ่น ทีมงานได้วางฟิล์มบนพื้นผิวของเปลือกสมองในเมาส์ที่ดมยาสลบ ฟิล์มหนา 11 ไมครอนยึดติดกับพื้นผิวของสมองได้ดี การขับไมโครไฟ LED สามดวงพร้อมกันจะสร้างจุดปล่อยแสงสีน้ำเงินสามจุด การตรวจสอบขอบเขตของแสงที่แทรกเข้าไปในสมองของสัตว์โดยใช้การวัดด้วยไฟฟ้าและการจำลองมอนติคาร์โล พบว่าบริเวณสมองที่อยู่ห่างจากพื้นผิว 100–250 ไมโครเมตรสามารถกระตุ้นด้วยแสงสีฟ้า10 mW/cm2 สิ่งนี้บ่งชี้ว่าฟิล์ม microLED ที่ยืดหยุ่นควรมีประสิทธิภาพในการกระตุ้นออปโตเจเนติกส์ รากฟันเทียมแบบไร้สายใช้ออพโตเจเนติกส์เพื่อควบคุมการทำงานของไขสันหลังในหนู

Sekiguchi บอก กับ Physics Worldว่าขณะนี้ทีมกำลังวางแผนที่จะพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการรวม microLEDs และขั้วไฟฟ้าประสาท ซึ่งสามารถวัดคลื่นสมองผ่านคลื่นไฟฟ้าสมอง “นอกจากนี้ เราคิดว่าความท้าทายต่อไปคือการรวม microLEDs เข้ากับสีการปล่อยก๊าซที่แตกต่างกัน” เขากล่าวเสริม

นักวิจัยสรุปว่า “การพัฒนาฟิล์ม microLED แบบยืดหยุ่นสามารถมีส่วนอย่างมากต่อการวิจัยด้านประสาทวิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวิจัยเกี่ยวกับออพโตเจเนติกส์เพื่อวัตถุประสงค์ในการผ่าหน้าที่ของอนุภูมิภาคบนผิวสมอง”

ฮาร์โมนิกหลายเสียง

อย่างไรก็ตาม หลังจากทดสอบแหล่งที่มาอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว นักวิจัยสรุปว่าเส้นสายอาจมาจากตัววัสดุเองเท่านั้น นักวิจัยได้ตรวจสอบผลกระทบเพิ่มเติมโดยใช้เทคนิคทางเลือกที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แมกนีโตออปติกเคอร์ที่แก้ไขเวลา พวกเขาพบว่าวัสดุมีพฤติกรรมเหมือนหวีความถี่ขนาดใหญ่มาก ทำให้เกิดฮาร์มอนิกที่ 50 ของความถี่พื้นฐาน ดังนั้นจึงสร้างความถี่ในช่วงกิกะเฮิรตซ์เมื่อปั๊มที่ความถี่เมกะเฮิรตซ์

“เรามีแรงกระตุ้นแบบไซน์ แต่การสะกดจิตตอบสนองเกือบในรูปแบบดิจิทัล” Woltersdorf กล่าว; “มันจะสะบัดเป็นระยะๆ และถ้าคุณดูการแปลงฟูริเยร์ มันจะให้หวีความถี่แก่คุณ”

การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีทำให้นักวิจัยสรุปได้ว่าปรากฏการณ์นี้เป็นผลมาจากการเปลี่ยนโดเมนแม่เหล็กที่แลกเปลี่ยนคลื่นหมุนและด้วยเหตุนี้จึงเกิดการซิงโครไนซ์ Woltersdorf เปรียบเทียบสิ่งนี้กับการล็อกของดวงจันทร์ที่โคจรรอบดาวเคราะห์หรือปฏิกิริยา Belousov–Zhabotinsky ในวิชาเคมีซึ่งแกว่งไปมา “มันมักจะเกิดขึ้นเมื่อคุณมีวิธีการสื่อสารที่ไม่เป็นเชิงเส้นระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ของระบบ ในกรณีของดวงจันทร์ มันคือแรงโน้มถ่วง ในปฏิกิริยาเคมีสั่นในบีกเกอร์ มันคือปริมาณของสารตั้งต้นที่คุณมี มันเป็นแบบนั้นกับคลื่นหมุน” บาคาร่าเว็บตรง