مع دقة عالية القدرة على تنظيم نشاط الخلايا العصبية ، photogenetics أصبحت أداة هامة في علم الأعصاب الحديث البحث . التجارب التقليدية في علم الوراثة الضوئية تتطلب اثنين من العمليات الجراحية المستقلة : حقن ناقلات تحمل الجين بروتين حساس للضوء ، بعد أسبوع أو أسبوعين من التعبير الجيني ، ثم زرع مسبار ضوئي للمرة الثانية . هذا الإجراء المزدوج ليس فقط يزيد من تعقيد التجربة ، ولكن أيضا يزيد من تلف الأنسجة و الاستجابة الالتهابية .
فريق البحث في جامعة نيويورك في أبو ظبيثلاثي الأبعاد الطباعة المتعدد photogenetic مسبار العصبية ( ميو )，الجمع بين تحفيز ضوئي مع ميكروفلويديك تسليم المخدرات / فيروس في جهاز واحدهذه الدراسة نجحت في حل المشكلة الصعبة التي تحتاج إلى العديد من العمليات الجراحية التقليدية في علم الوراثة البصرية ، وتوفير كفاءة عالية ، والتخصيص ، مينيملي حل في مجال علم الأعصاب . مع عنوان"مسبار عصبي optogenetic مطبوع ثلاثي الأبعاد متكامل مع أنبوب microfluidic لتوصيل opsin / المخدرات" ونشرفي المجلات الدوليةالتقارير العلميةقأعلى .ميوتحقيقاتالمكونات الأساسية تشمل مصغرة الصمام ( μ الصمام ) تحفيز ضوئي و ميكروفلويديك أنبوب قطره 150 ميكرون .يمكن تحقيقهتسليم دقيقة من الفيروس أو المخدرات . هذا التصميم من خلال كسر التقليدية حقن الفيروسية و يدقق في زرع عملية جراحية مزدوجة الأمثل في عملية واحدة ، من الواضح أن تبسيط الإجراءات التجريبية . الباحثون بنجاح زرع مسبار في النواة تحت المهاد ( STN ) ، منطقة الدماغ الرئيسية في تنظيم الحركة في الفئران ، وحقن الفيروس الناقل وتثبيت الجهاز في وقت واحد من خلال عملية واحدة ( الشكل 1 ) .
الشكل 1 ( أ ) العمليات التقليدية تشمل حقن ناقلات الفيروس المجسم للتعبير عن photosensitive البروتينات في الخلايا العصبية المستهدفة ، تليها عملية زرع مسبار بصري لنقل النبضات الضوئية التي تسيطر عليها الخلايا العصبية التحوير . ( ب ) عملية متكاملة لدمج أجهزة ميكروفلويديك في زرع أجهزة علم الوراثة الضوئية لنقل الفيروس . وهو يتألف من وضع جهاز stereotaxic إلى منطقة الدماغ المستهدفة ، حيث microfluidic أنبوب ينقل الفيروس الناقل للتعبير عن حساسية بصرية محددة في الخلايا العصبية ، ثم في وقت واحد أو في وقت لاحق تفعيل مسبار بصري لنقل تسيطر على ضوء النبضات العصبية الدقيقة التحوير .في جانب من جوانب الأداء ، فريق البحثتحقيقاتاختبار منهجي ( الشكل 2 ) . الكهربائية والبصرية البيانات التجريبية تبين أن ( الشكل 3 ) في 3.0v الجهد التشغيل ( المقابلة الحالية حوالي 12mA ) يمكن أن تنتج الضوء الأزرق التحفيز ، ذروة الطول الموجي ( 465nm ) مع الاستجابة الطيفية من chr2 photoprotein مطابقة للغاية ، شدة الضوء يتجاوز عتبة التنشيط ( 1 ميغاواط / مم ² ) .الشكل 2 ( أ ) عرض النظام العام المقترح photoelectrode الأجهزة المتكاملة مع قنوات ميكروفلويديك للفيديو / تسليم المخدرات . ( ب ) النظامإعداد الصور من جهاز MIO . الجهاز يرسل الضوء الأزرق تحت 1mA القيادة الحالية . الرسم البياني الرئيسي يعرض الكتروضوئي الإضاءة ؛ ويبين الرسم التوضيحي الأيمن العرض ( حوالي 270 ميكرومتر ) والسمك ( حوالي 150 ميكرومتر ) على التوالي .الشكل 3 ( أ ) الكهرباءتيار الجهدمنحنى ( ن = 5 ) . ( ب ) شدة الضوء التي يقاس بها الجهاز في مختلف المدخلات الحالية ( ن = 5 ) . ( ج ) هذاقياس الصمام المستخدمة في العملكثافة نسبية ( الأزرق منحنى ) و chr2 طيف الاستجابة ( أسود منحنى ) .النتائج التجريبية تبين أن ارتفاع درجة الحرارة التحقيق يمكن أن تسيطر عليها بدقة في حدود 2 ° C حتى مع ارتفاع وتيرة التحفيز و نبض العرض . هذه النتائج تؤكد أن التحقيق قد ممتازة القدرة على إدارة الحرارية ، ويمكن تجنب الضرر الحراري على الأعصاب الطرفية ، وتلبية متطلبات الاستقرار على المدى الطويل في الجسم الحي neuromodulation . . . . . . .
الشكل 4 ( أ ) التحقق من صحة الحرارية اختبار الجهاز . ( ب ) التغيرات في درجة الحرارة المقاسة ( Δ T ) في معدلات التحفيز المختلفة وعرض النبضة عند مستوى المدخلات الحالية 5 ماه . خط منقط Δ ر = 2 ℃ يمثل عتبة السلامة ، والتي قد تؤدي إلى تلف الأنسجة العصبية الحرارية .
سبعة أسابيع من التجارب السلوكية التي أجريت في هذه الدراسة مقارنة منهجية بين المجموعة التجريبية مع زرع مسبار MIO والسيطرة على المجموعة مع التقليدية الألياف البصرية التحقيق ( الشكل 5 ) . البيانات التي تم الحصول عليها من هذه الدراسة تشير إلى أن تحفيز ضوئي يمكن أن تزيد بشكل كبير من حركة بالجو والسرعة في كلا الفريقين من الفئران . وتجدر الإشارة إلى أن التحقيق في مجموعة ميو أظهرت أكثر استقرارا واتساقا استجابة السلوكية طوال الفترة التجريبية ، مما يشير إلى أن استراتيجية متكاملة زرع في عملية واحدة قد تعطي أفضل الاستقرار على المدى الطويل وتنظيم تأثير على الجهاز .
fig.5 . المقارنة بين الألياف الكهربائي و ميو يدقق في رصد النشاط الحركي في الفئران .إن biocompatibilities والوظيفية فعالية التحقيق تم التحقق منها من قبل immunohistochemistry michery مضان العلامات . وأشار الباحثون إلى أن التعبير عن mcherry الواضح في STN المنطقة ، مما يدل على أن التحقيق قد نجحت في تحقيق هدف إيصال ناقلات الفيروسية وتوجيه التعبير عن البروتين في الخلايا العصبية المستهدفة chr2 بكفاءة . هذه النتائج تؤكد جدوى عملية جراحية واحدة متكاملة على المستوى الجزيئي ، ويقدم أدلة حاسمة على المدى الطويل تطبيق الجهاز العصبي ( الشكل 6 ) .الشكل 6 . ممثل شريحة أفقية عن mcherry بالقرب من زرع مسار STN المنطقة .
مقارنة مع مجموعة المراقبة ، كثافة الخلايا العصبية في جميع أنحاء المنطقة مزروع مع ميو يدقق في أعلى بكثير . التحليل الكمي من نوين تلطيخ أظهرت أن ميو المجموعة أظهرت أفضل الحفاظ على الخلايا العصبية في كل منطقة 50-200 ميكرومتر من زرع نقطة ( الشكل 7 ) .عنوان المقال : تحليل الاتفاق الإطاري علامة النجمية إلى أن مستوى تنشيط الخلايا النجمية حول زرع نقطة في مجموعة ميو انخفض بشكل ملحوظ ( الشكل 8 ) . وفي الوقت نفسه ، فإن عدد الخلايا الدبقية الصغيرة تفعيلها من قبل ed1 المسمى انخفض بشكل ملحوظ ، مما يدل على فعالية السيطرة على الاستجابة الالتهابية ( الشكل 9 ) .
هذه مجموعة من الأدلة النسيجية تؤكد ميزة فريدة من نوعها من استراتيجية واحدة : الحد بشكل كبير من الأضرار الميكانيكية والالتهابات الثانوية الناجمة عن زرع من خلال تجنب تكرار الصدمة الأنسجة . هذا النوع من الحماية لا ينعكس فقط في الحفاظ على عدد من الخلايا العصبية ، ولكن أيضا في الحد من تشكيل ندبة الغروية ، والتي توفر أساسا متينا على المدى الطويل الاستقرار الوظيفي للمعدات .الشكل 7 . ممثل أفقي شريحة من الدماغ مع تلطيخ نيون بالقرب من مسار زرع STN المنطقة .الشكل 8 - ممثل أفقي شريحة من الدماغ مع الاتفاق الإطاري تلطيخ بالقرب من مسار زرع STN المنطقة .الشكل 9 . ممثل شرائح الدماغ الأفقي مع ED1 تلطيخ بالقرب من مسار زرع STN المنطقة .من أجل تحقيق الربط الكهربائي بين إعداد الكتروضوئي موصل ، موصل موثوق بها يجب أن تكون ثابتة على موصل كهربائي دبوس مسبقا في تخصيص السكن ( الشكل 10 ) . في هذه العملية ،جميع مكونات قذيفة مخصصة تعتمد على دقة سطح الإسقاط الجزئي ستيريو الطباعة الحجرية ( ع(ميكرو أرش)®S240، 精度： 10 ميكروم)جعلمنتدىالشكل 10 - عملية تصنيع وتجميع المعدات ينقسم إلى ثلاث مراحل : ( 1 ) عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد ( د ) ، ( 2 ) تصنيع وتجميع المكونات الموصلة و أجهزة ميكروفلويديك ( E-K ) ، و ( 3 ) عملية التعبئة والتغليف والتجميع النهائي ( ل ) .الخلاصة : هذه الدراسة قد وضعت بنجاح متعدد الوظائف مسبار علم الوراثة البصرية على أساس تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي تدمج photostimulation مع السائل تسليم وظيفة ، وأدركت عملية واحدة لاستكمال حقن الفيروس و زرع المعدات ، والحد بشكل كبير من الصدمة الجراحية و الاستجابة المناعية ، وتحسين كفاءة وموثوقية التجربة .ظهور هذه التكنولوجيا ليس فقط يوفر أقوى وأكثر ملاءمة أداة أساسية في بحوث علم الأعصاب ، ولكن أيضا يفتح آفاقا جديدة لتطوير جهاز التحكم العصبي في العلاج السريري في المستقبل .مع الخشبمع تطور علوم المواد الدقيقة نانو تكنولوجيا التصنيع ، هذا النوع من التكامل والتخصيص واجهة الجهاز العصبي من المتوقع أن تلعب دورا أكثر وأكثر أهمية في علاج الأمراض العصبية و التفاعل بين الإنسان والكمبيوتر في المستقبل .
