Iluminación del cerebro con una película de matriz microLED ultradelgada, flexible y multipunto

Tecnología para formar una estructura hueca de microLED (Superior) Tecnología de transferencia por lotes de matriz MicroLED (Inferior). Crédito: Universidad Tecnológica de Toyohashi. Reservados todos los derechos.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Toyohashi, la Universidad Médica de Dokkyo y la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa han desarrollado una película de matriz microLED multipunto flexible. La película se puede unir de manera flexible para cubrir el cerebro y puede iluminar regiones específicas del mismo a medida que los microLED se colocan a lo largo de múltiples puntos.

En los últimos años, la optogenética ha permitido manipular la actividad neuronal mediante la luz. Si bien esta técnica requiere un dispositivo emisor de luz, no había dispositivos ópticos que pudieran conectarse para cubrir tejidos completos como el cerebro, con la luz solo influyendo en las neuronas objetivo, o que pudieran implantarse en un organismo para que la actividad sería manipulado libremente por la luz.

Para implementar este dispositivo, se requiere un cuerpo delgado, liviano y flexible. Por lo tanto, era necesario establecer una tecnología para colocar una capa de LED de un par de micrómetros de espesor con gran precisión en una película ultrafina que no sea dañina ni tóxica para los tejidos vivos. Esta vez, el grupo de investigación ha establecido (1) una tecnología para formar una estructura hueca de microLED con alta densidad y en detalle, y (2) una tecnología de transferencia por lotes de alta precisión utilizando una lámina de liberación térmica. Con estas tecnologías, también ha desarrollado con éxito una película de matriz microLED multipunto liviana y ultradelgada que mantiene el rendimiento de iluminación incluso cuando la película está doblada. Se espera que la aplicación del dispositivo desarrollado cree una nueva área de investigación en neurociencia destinada a comprender de manera integral la información del cerebro que sustenta cómo se vinculan la actividad neuronal, los comportamientos y los trastornos.

Estructura hueca de una matriz de microLED (izquierda) Iluminación imagen de una película de matriz microLED ultradelgada (derecha). Crédito: Universidad Tecnológica de Toyohashi. Reservados todos los derechos.

Detalles

En la actualidad, se están realizando intentos de utilizar la luz para manipular la actividad de varias moléculas funcionales dentro de un organismo. En particular, la técnica optogenética para activar la actividad neuronal con luz mediante la expresión de proteínas fotosensibles que reaccionan a un color de luz específico en las neuronas tiene una alta resolución temporal y se ha utilizado para dilucidar la función cerebral. Sin embargo, para dilucidar de manera integral la compleja red neuronal creada por las neuronas en el cerebro, es necesario emplear la estimulación de la luz que permitirá la manipulación libre de ciertas regiones de las neuronas distribuidas en una amplia gama del cerebro. La aplicación de fibras ópticas y microscopios convencionales no es suficiente para iluminar ciertas o múltiples regiones al mismo tiempo y también restringe la libre circulación de animales. Aunque esto significaba grandes esperanzas para la aplicación de un dispositivo LED implantable, el tamaño de los LED comerciales es tan grande como 200 m con un grosor de decenas a cien micrómetros, por lo que no puede cubrir una amplia gama del cerebro. Como tal, se consideró inadecuado como dispositivo para estimular neuronas específicas en las regiones.

Dado esto, el grupo de investigación buscó utilizar una película flexible que fuera delgada, liviana y flexible, y tomó la desafío de fabricar microLED microscópicos y ultrafinos de menos de 100 m de tamaño y un par de micrómetros de espesor y colocarlos en múltiples puntos. Para lograr esto, el grupo adoptó el método de grabado húmedo anisotrópico usando hidróxido de potasio para eliminar selectivamente la capa inferior de LED, lo que condujo a la formación de una estructura hueca de microLED dispuestos en alta densidad. Como la estructura hueca separa la capa de LED del sustrato, solo la capa de LED se puede quitar a la vez usando una lámina de liberación térmica sin dañar los microLED ni las películas de parileno biocompatibles. Al aplicar esta técnica, el grupo ha fabricado con éxito una matriz de microLED en la película. Esta película montada en microLED mantiene el rendimiento de iluminación incluso cuando se dobla. También se ha verificado que la luz azul brillante se puede obtener y utilizar en experimentos optogenéticos reales con la película adherida a la superficie del cerebro de un ratón.

Iluminación LED dirigida a tres puntos. Crédito: Universidad Tecnológica de Toyohashi. Reservados todos los derechos.

Perspectiva futura

La película microLED multipunto desarrollada a través de este estudio tiene una aplicación potencial más amplia con el cerebro y realizará el control de la actividad cerebral compleja libremente en los aspectos espaciotemporales. El cerebro tiene diversas funcionalidades en varias regiones y sirve para manipular todo el cuerpo de manera compleja. Al combinar la tecnología de medición en el futuro, se espera que la aplicación de esta tecnología cree una nueva área de investigación en neurociencia destinada a comprender de manera integral la información del cerebro que sustenta cómo se vinculan las actividades, los comportamientos y los trastornos neuronales. Además, con el desarrollo de moléculas funcionales fotosensibles dentro de un organismo, se espera que sea posible iluminar las áreas donde se dirige la medicina y hacer que la medicina sea efectiva en cualquier momento, lo que conducirá a la aplicación de la tecnología de fototerapia usando dispositivos implantados en organismos.

Los resultados de esta investigación se publicaron en línea en Applied Physics Express el 18 de marzo de 2022.

Explore más

Sonda neuronal MicroLED para neurociencia Más información: Hiroto Sekiguchi et al, Película de matriz de microLED basada en GaN flexible y adherente a la superficie del cerebro para la estimulación optogenética in vivo, Applied Physics Express (2022). DOI: 10.35848/1882-0786/ac5ba3 Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Toyohashi. https://medicalxpress.com/news/2022-03-illuminating-brain-ultra-thin-flexible-multipoint.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.