用于高精度神經(jīng)調(diào)節(jié)的光聲學(xué)

神經(jīng)調(diào)節(jié)在破譯神經(jīng)回路和探索神經(jīng)疾病的臨床治療方面發(fā)揮著重要作用。光聲神經(jīng)調(diào)制是一種新的多功能模式，它提供了超聲的高穿透深度以及光子的高空間精度。

光聲過程涉及以超聲波頻率轉(zhuǎn)換成聲波的光脈沖。生命科學(xué)見證了光聲技術(shù)的快速發(fā)展，用于對活的生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像——從亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)到器官，甚至整個動物。

波士頓大學(xué)的一個團(tuán)隊最近開始利用光聲學(xué)進(jìn)行高精度神經(jīng)調(diào)節(jié)。通過重新利用最初為手術(shù)引導(dǎo)而開發(fā)的光聲發(fā)射器，他們開發(fā)了第一個光聲神經(jīng)刺激示例。最近，他們創(chuàng)造了一種新型光聲發(fā)射器，將精度擴展到單個神經(jīng)元和亞細(xì)胞水平。在Neurophotonics上發(fā)表的一篇入門文章中，他們討論了將光聲學(xué)作為一種可行的神經(jīng)調(diào)節(jié)工具的設(shè)備設(shè)計考慮因素、潛在機制和障礙。他們還就該領(lǐng)域基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研究的未來方向發(fā)表了自己的看法。

光聲神經(jīng)調(diào)節(jié)可以通過多種技術(shù)實現(xiàn)。神經(jīng)元刺激已成功應(yīng)用于治療神經(jīng)和精神疾病，包括癲癇、阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和難治性抑郁癥，可能會在光聲學(xué)中找到新的方法。因此，光聲神經(jīng)元刺激將避免與電刺激相關(guān)的問題，并獲得更好的精度以達(dá)到更精細(xì)的神經(jīng)纖維，例如腦癱兒童。

入門中調(diào)查的一些新型光聲技術(shù)包括基于纖維的神經(jīng)刺激、生物相容性薄膜和納米粒子介導(dǎo)。纖維或基于薄膜的陣列形式的多路復(fù)用發(fā)射器可能用于刺激，例如，用于視覺假體的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。

高度微型化的基于光纖的光聲發(fā)射器可以將藥物輸送到細(xì)胞膜中，或集成到導(dǎo)管和針頭等醫(yī)療設(shè)備中，以提供實時手術(shù)指導(dǎo)。

與基于光纖的光聲發(fā)射器設(shè)備相輔相成，生物相容性光聲薄膜可以作為一種新的神經(jīng)接口，提供從光聲刺激到結(jié)構(gòu)支持和生長引導(dǎo)的多種功能。作為生物電子學(xué)平臺和組織支架的基礎(chǔ)，生物相容性光聲薄膜已被證明可以增強骨工程中的再生效果。它們還被證明能夠通過增加腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的分泌來促進(jìn)神經(jīng)再生。作為一種光介導(dǎo)技術(shù)，光聲支架消除了電線連接和基因改造的要求。

根據(jù)資深作者、波士頓大學(xué) Theodore Moustakas 光子學(xué)和光電子學(xué)講座教授 Ji-xin Cheng 的說法，“總體而言，光聲神經(jīng)調(diào)制與其超聲波對應(yīng)物相比具有許多優(yōu)勢，包括更高的時空分辨率、最小的熱積累和寬帶寬， “這使其適用于動物模型甚至人類患者的區(qū)域特異性調(diào)節(jié)。另一方面，光聲神經(jīng)調(diào)節(jié)仍處于早期發(fā)展階段，未來的研究還存在一些挑戰(zhàn)。”

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