豊橋技術科学大学電気電子情報工学専攻の研究チームは、神経科学用のMicroLED神経プローブを開発しました。このMicroLEDツールは、脳内の神経活動を光遺伝学的に制御・観察することができます。研究内容 "生体内応用に向けた高効率MicroLEDを集積した神経プローブの開発" が、Japanese Journal of Applied Physicsに掲載されました。
1本のシャンクに16個のMicroLEDを搭載したLEDプローブを作製し、in vivoで大脳皮質の深さ方向の神経活動を効果的に賦活することが報告されています。この設計により、複雑な神経活動操作を実現することができました。しかし、電気生理実験では、操作された神経活動を捕捉するために神経記録電極を使用する必要があります。
LEDプローブと神経記録電極プローブは異なるため、それぞれのプローブの位置を精密に制御し、両方のデバイスを挿入して観察する必要がある。そのため、MicroLEDと神経記録電極の一体型プローブの開発が不可欠です。
深部領域の単一神経細胞を操作・記録できる新しいオプトジェネティクス技術が実現されているが、そのような統合型プローブの報告は少ない。さらに、報告されているもののうち、MicroLEDはサイズが小さいため光出力が数μWと低く、神経科学の研究には適していない。MicroLEDのサイズを大きくすると光出力は大きくなりますが、このサイズアップは空間分解能を低下させ、刺激による熱量も増加させるため、熱損傷が大きくなります。そのため、光出力とデバイスサイズのトレードオフを最適化する必要があり、さらに、ジュール熱を抑制する高効率のLEDデバイスの搭載が求められている。
本研究では、光遺伝学的応用のために、6個のマイクロ発光ダイオード（MicroLED）と15個の神経電極を有する神経プローブを作製した。この神経プローブを用いて、神経活動に関する情報を提供する局所電界電位の記録に成功し、神経電極の有効性を示しました。プローブに搭載したMicroLEDは、電流-電圧特性が非常に安定しており、1mAで20mW mm-2と、神経活動を操作するのに十分な光出力が得られました。脳組織内の光分布のシミュレーションを行い、光刺激領域と光刺激された神経細胞数を推定した。高温は脳組織を損傷する可能性があるため，LEDの温度上昇，すなわちΔTを調査した。その結果，ΔTとウォールプラグ効率の関係を示す曲線が得られた．MicroLEDの背面にAgミラーを設置することで、ウォールプラグ効率を1.8倍に向上させることができました。これらの結果は、MicroLED神経プローブが神経科学研究目的の光遺伝学技術の開発に大きく貢献することを示唆しています。
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