24.08.2022Abstrakt
Die elektrische Stimulation mittels invasiver Mikroelektroden wird häufig zur Behandlung verschiedenster neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen eingesetzt. Trotz ihrer bemerkenswerten Erfolge ist die Stimulationsleistung nicht von Dauer, da die Elektroden aufgrund von Fremdkörperreaktionen durch Gliose eingekapselt werden. Die Magnetstimulation überwindet diese Einschränkungen, da sie auf einen Metall-Elektroden-Kontakt verzichtet. Wir demonstrieren hier einen neuartigen, mikrogefertigten Solenoid-Induktor (80 µm × 40 µm) mit einem magnetischen Kern, der neuronales Gewebe aktivieren kann.
Implantierbare mikromagnetische Stimulation (µMS) bietet gegenüber der elektrodenbasierten Stimulation mehrere Vorteile. Fortschritte in der Nanofabrikationstechnologie haben die Herstellung ultrafeiner Solenoide mit magnetischen Kernen ermöglicht, die stärkere Magnetfelder erzeugen und gleichzeitig vollständig von einer biokompatiblen Beschichtung umschlossen sind. Ein neuartiger mikrogefertigter Solenoid aktivierte erfolgreich Nervengewebe und stellt somit eine vielversprechende Alternative zu aktuellen neuronalen Schnittstellen für die Grundlagenforschung in den Neurowissenschaften und klinische Anwendungen dar, obwohl weitere Untersuchungen erforderlich sind.
Abb. a) Der Aufbau zur Messung der magnetischen Flussdichte des neuartigen Mikrosolenoids mithilfe eines eigens entwickelten Systems auf Basis eines NV-Diamantsensors. b) Das in Aufbau (a) verwendete Scanfenster. c) Der im Rahmen des Machbarkeitsnachweises verwendete Aufbau für die µMS mit Mikro-/Makrosolenoiden in akuten Hirnschnitten.
Abb. Epifluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines Hirnschnitts von Thy1-GCaMP6s-transgenen Mäusen, die die Veränderung der Fluoreszenz als Reaktion auf µMS bei Verwendung eines (oben) Makrosolenoids und eines (unten) Mikrosolenoids zeigt.
Analyse der Bildgebungstechnologie
DerDhyana 400BSIMithilfe einer Kamera wurden radiofluoreszenzmikroskopische Aufnahmen von Hirnschnitten transgener Mäuse angefertigt. Die Kamera zeichnet sich durch guten Kontrast und hohe Empfindlichkeit, exzellente Quanteneffizienz und geringes Rauschen im UV-Bereich aus. Der 16-Bit-Modus mit hohem Dynamikbereich ermöglicht Hellfeld- und Fluoreszenzaufnahmen selbst bei sehr schwachem Fluoreszenzsignal. Die Strahlungsänderungen von Spulen unterschiedlicher Größe an den Hirnschnitten der Maus sind im Bild anschaulich dargestellt, um die Machbarkeit des Verfahrens vorläufig zu beurteilen. Submillimeter- und Millimeterspulen wandeln den angelegten Strom in einen magnetischen Fluss um, der einen ausreichend starken elektrischen Feldgradienten induziert, um Ionen zu bewegen und so die Reaktion der Neuronen zu erfassen (oder zu unterdrücken).
Referenzquelle：
1. Khalifa, A., Zaeimbashi, M., Zhou, TX et al. Die Entwicklung mikrogefertigter Solenoide mit magnetischen Kernen zur mikromagnetischen neuronalen Stimulation. Microsyst Nanoeng 7, 91 (2021). https://doi.org/10.1038/s41378-021-00320-8
