注册 English

植入式光电极器件发展

李亚民 ,  王阳 ,  陈弘达 ,  王毅军 ,  刘媛媛 ,  裴为华

downloadPDF
引用本文: 李亚民, 王阳, 陈弘达, 王毅军, 刘媛媛, 裴为华. 植入式光电极器件发展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(12): 191205. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912054 shu
Citation:  Li Yamin, Wang Yang, Chen Hongda, Wang Yijun, Liu Yuanyuan, Pei Weihua. Development of Implantable Optrode Devices[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(12): 191205. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912054 shu

植入式光电极器件发展

  • 1.

    中国科学院半导体研究所，集成光电子学国家重点实验室，北京 100083

  • 2.

    中国科学技术大学，微电子学院，合肥 230000

  • 3.

    中国科学院大学，北京 100083

  • 4.

    中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心，上海 200000

    • 作者简介:




    裴为华，中国科学院半导体研究所研究员。2005年毕业于中国科学院半导体研究所，获微电子与固体电子学博士学位。2005–2008年在清华大学生物医学工程系和德国马普微结构与物理研究所做博士后研究。研究方向：可记录或调控神经活动的神经接口器件;
    通讯作者: 裴为华, peiwh@semi.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划项目(2017YFA0205903, 2017YFA0701100, 2016YFB0402405), 国家自然科学基金项目(61634006, 61335010, 61671424), 中国科学院战略性先导科技专项(XDB32030100, XDB32040200)资助

摘要: 光遗传技术为神经科学研究提供了一种可精准、快速控制单个神经元活动的手段。为了对神经元实现光遗传调控，将光安全、高效地导入脑内，需要专门的光电极(Optrode)给予支持。光电极是光遗传工具应用的重要组成部分，其功能是把光导入脑内调控神经元活动，同时记录神经元电信号在光调控下变化情况的一种植入式神经接口器件。随着光遗传技术在神经环路、认知与记忆等神经科学研究中应用的深入，以及其在癫痫、感官功能损伤等疾病治疗方面的探索，与光遗传技术相配合的光电极从材料选择、器件结构、给光方式和集成工艺等方面都呈现出百花齐放的发展态势，本文将按照现有植入式光电极的结构特点，将光电极器件分成基于波导型和基于微发光二极管型两大类，论述不同类别光电极器件优缺点及演进方向，对未来植入式光电极的理想结构形态及亟待解决的问题进行了讨论和展望。

English

    1. [1]

      Aldaoud, A.; Soto-Breceda, A.; Tong, W.; Conductier, G.; Tonta, M. A.; Coleman, H. A.; Parkington, H. C.; Clarke, I.; Redoute, J. M.; Garrett, D. J.; et al. Sens. Actuator A-Phys. 2018, 271, 201. doi: 10.1016/j.sna.2017.12.051

    2. [2]

      Richner, T. J.; Thongpang, S.; Brodnick, S. K.; Schendel, A. A.; Falk, R. W.; Krugner-Higby, L. A.; Pashaie, R.; Williams, J. C. J. Neural Eng. 2014, 11, 016010. doi: 10.1088/1741-2560/11/1/016010

    3. [3]

      Butovas, S.; Schwarz, C. J. Neurophysiol. 2003, 90, 3024. doi: 10.1152/jn.00245.2003

    4. [4]

      Delbeke, J.; Hoffman, L.; Mols, K.; Braeken, D.; Prodanov, D. Front. Neurosci. 2017, 11, 20. doi: 10.3389/fnins.2017.00663

    5. [5]

      Yang, W.; Yuste, R. Nat. Methods. 2017, 14, 752. doi: 10.1038/nmeth0717-752b

    6. [6]

      Holtmaat, A.; Svoboda, K. Nat. Rev. Neurosci. 2009, 10, 1 doi: 10.1038/nrn2721

    7. [7]

      Stam, C. J.; Jones, B. F.; Nolte, G.; Breakspear, M. Scheltens, P. Cereb. Cortex. 2007, 17, 92. doi: 10.1093/cercor/bhj127

    8. [8]

      Shirai, F.; Hayashi-Takagi, A. Psychiatry Clin Neurosci. 2017, 71, 363. doi: 10.1111/pcn.12516

    9. [9]

      Tung, J. K.; Berglund, K.; Gross, R. E. Brain Stimul. 2016, 9, 801. doi: 10.1016/j.brs.2016.06.055

    10. [10]

      Tonnesen, J. Behav Brain Res. 2013, 255, 35. doi: 10.1016/j.bbr.2013.07.007

    11. [11]

      Ishizuka, T.; Kakuda, M.; Araki, R.; Yawo, H. Neurosci. Res. 2006, 54, 85. doi: 10.1016/j.neures.2005.10.009

    12. [12]

      Boyden, E. S.; Zhang, F.; Bamberg, E.; Nagel, G.; Deisseroth, K. Nat. Neurosci. 2005, 8, 1263. doi: 10.1038/nn1525

    13. [13]

      Zhang, F.; Wang, L. P.; Brauner, M.; Liewald, J. F.; Kay, K.; Watzke, N.; Wood, P. G.; Bamberg, E.; Nagel, G.; Gottschalk, A.; et al. Nature 2007, 446, 633. doi: 10.1038/nature05744

    14. [14]

      Chow, B. Y.; Han, X.; Dobry, A. S.; Qian, X. F.; Chuong, A. S.; Li, M. J.; Henninger, M. A.; Belfort, G. M.; Lin, Y. X.; Monahan, P. E.; et al. Nature 2010, 463, 98. doi: 10.1038/nature08652

    15. [15]

      Lin, J. Y. Exp. Physiol. 2011, 96, 19. doi: 10.1113/expphysiol.2009.051961

    16. [16]

      Aravanis, A. M.; Wang, L. P.; Zhang, F.; Meltzer, L. A.; Mogri, M. Z.; Schneider, M. B.; Deisseroth, K. J. Neural. Eng. 2007, 4, S143. doi: 10.1088/1741-2560/4/3/s02

    17. [17]

      Du, M.; Xu, X.; Yang, L.; Guo, Y.; Guan, S.; Shi, J.; Wang, J.; Fang, Y. Biosens. Bioelectron. 2018, 105, 109. doi: 10.1016/j.bios.2018.01.027

    18. [18]

      Guo, Y.; Fang, Z.; Du, M.; Yang, L.; Shao, L.; Zhang, X.; Li, L.; Shi, J.; Tao, J.; Wang, J.; et al. Nano Res. 2018, 11, 5604. doi: 10.1007/s12274-018-2005-0

    19. [19]

      Wang, M. H.; Gu, X. W.; Ji, B. W.; Wang, L. C.; Guo, Z. J.; Yang, B.; Wang, X. L.; Li, C. Y.; Liu, J. Q. Biosens. Bioelectron. 2019, 131, 9. doi: 10.1016/j.bios.2019.01.019

    20. [20]

      Gradinaru, V.; Thompson, K. R.; Zhang, F.; Mogri, M.; Kay, K.; Schneider, M. B.; Deisseroth, K. J. Neurosci. 2007, 27, 14231. doi: 10.1523/jneurosci.3578-07.2007

    21. [21]

      Wang, J.; Wagner, F.; Borton, D. A.; Zhang, J. Y.; Ozden, I.; Burwell, R. D.; Nurmikko, A. V.; van Wagenen, R.; Diester, I.; Deisseroth, K. J. Neural. Eng. 2012, 9, 14. doi: 10.1088/1741-2560/9/1/016001

    22. [22]

      Royer, S.; Zemelman, B. V.; Barbic, M.; Losonczy, A.; Buzsaki, G.; Magee, J. C. Eur. J. Neurosci. 2010, 31, 2279. doi: 10.1111/j.1460-9568.2010.07250.x

    23. [23]

      Chen, S.; Pei, W.; Gui, Q.; Chen, Y.; Zhao, S.; Wang, H.; Chen, H. J. Neural. Eng. 2013, 10, 046020. doi: 10.1088/1741-2560/10/4/046020

    24. [24]

      Wang, F.; Guo, D. M.; Xie, Y. X.; Zhang, L.; Pei, W. H.; Chen, H. D. Optoelectron. Lett. 2018, 14, 271. doi: 10.1007/s11801-018-8030-0

    25. [25]

      Sridharan, A.; Rajan, S. D.Muthuswamy, J. J. Neural. Eng. 2013, 10, 16. doi: 10.1088/1741-2560/10/6/066001

    26. [26]

      Segev, E.; Reimer, J.; Moreaux, L. C.; Fowler, T. M.; Chi, D.; Sacher, W. D.; Lo, M.; Deisseroth, K.; Tolias, A. S.; Faraon, A.; et al. Neurophotonics 2017, 4, 15. doi: 10.1117/1.NPh.4.1.011002

    27. [27]

      Wu, F.; Stark, E.; Im, M.; Cho, I. J.; Yoon, E. S.; Buzsaki, G.; Wise, K. D.; Yoon, E. J. Neural. Eng. 2013, 10, 056012. doi: 10.1088/1741-2560/10/5/056012

    28. [28]

      Cho, I. J.; Baac, H. W; Yoon, E. A 16-Site Neural Probe Integrated with a Waveguide for Optical Stimulation, 2010 IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Hong Kong, China, Jan 24-28, 2010, Eds.; IEEE, 2010

    29. [29]

      Im, M.; Cho, I. J.; Wu, F.; Wise, K. D.; Yoon, E. Neural probes integrated with optical mixer/splitter waveguides and multiple stimulation sites, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Cancun, Mexico, Jan 23-27, 2011, Eds.; IEEE, 2010

    30. [30]

      Son, Y.; Lee, H. J.; Kim, J.; Shin, H.; Choi, N.; Lee, C. J.; Yoon, E. S.; Yoon, E.; Wise, K. D.; Kim, T. G.; et al. Sci. Rep. 2015, 5, 11. doi: 10.1038/srep15466

    31. [31]

      Stark, E.; Koos, T.; Buzsaki, G. J. Neurophysiol. 2012, 108, 349. doi: 10.1152/jn.00153.2012

    32. [32]

      Kampasi, K.; Stark, E.; Seymour, J.; Na, K.; Winful, H. G.; Buzaski, G.; Wise, K. D.; Yoon, E. Sci. Rep. 2016, 6, 13. doi: 10.1038/srep30961

    33. [33]

      Kampasi, K.; English, D. F.; Seymour, J.; Stark, E.; McKenzie, S.; Voroslakos, M.; Buzsaki, G.; Wise, K. D.; Yoon, E. Microsyst. Nanoeng. 2018, 4, 16. doi: 10.1038/s41378-018-0009-2

    34. [34]

      Libbrecht, S.; Hoffman, L.; Welkenhuysen, M.; Van den Haute, C.; Baekelandt, V.; Braeken, D.; Haesler, S. J. Neurophysiol. 2018, 120, 149. doi: 10.1152/jn.00888.2017

    35. [35]

      Sung, H. K.; Lee, H. K.; Wang, C.; Kim, N. Y. J. Nanosci. Nanotechnol. 2017, 17, 2582. doi: 10.1166/jnn.2017.13071

    36. [36]

      McAlinden, N.; Gu, E.; Dawson, M. D.; Sakata, S.; Mathieson, K. Front. NeuralCircuits. 2015, 9, 25. doi: 10.3389/fncir.2015.00025

    37. [37]

      Li, L.; Liu, C.; Su, Y.; Bai, J.; Wu, J.; Han, Y.; Hou, Y.; Qi, S.; Zhao, Y.; Ding, H.; et al. Adv. Mater. Technol. 2018, 3, 1700239. doi: 10.1002/admt.201700239

    38. [38]

      Dong, N.; Berlinguer-Palmini, R.; Soltan, A.; Ponon, N.; O'Neil, A.; Travelyan, A.; Maaskant, P.; Degenaar, P.; Sun, X. H. J. Biophotonics. 2018, 11, 17. doi: 10.1002/jbio.201700358

    39. [39]

      Yoo, S.; Lee, H.; Jun, S. B.; Kim, Y. K.; Ji, C. H. Sens. Actuat. A: Phys. 2018, 273, 276. doi: 10.1016/j.sna.2018.02.039

    40. [40]

      Wu, F.; Stark, E.; Ku, P. C.; Wise, K. D.; Buzsaki, G.Yoon, E. Neuron 2015, 88, 1136. doi: 10.1016/j.neuron.2015.10.032

    41. [41]

      Zhang, H.; Pei, W. H.; Yang, X. W.; Guo, X. H.; Xing, X.; Gui, Q.; Chen, H. D. A Sapphire based monolithic integrated optrode. 2016 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Orlando, FL, USA, Aug. 16-20 2016; Eds; IEEE: 2016

    42. [42]

      Mendrela, A. E.; Kim, K.; English, D.; McKenzie, S.; Seymour, J. P.; Buzsaki, G.; Yoon, E. IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 2018, 12, 1065. doi: 10.1109/tbcas.2018.2852267

    43. [43]

      Yamagishi, K.; Kirino, I.; Takahashi, I.; Amano, H.; Takeoka, S.; Morimoto, Y.; Fujie, T. Nat. Biomed Eng. 2019, 3, 27. doi: 10.1038/s41551-018-0261-7

    44. [44]

      Zhao, Y.; Liu, C.; Liu, Z.; Luo, W.; Li, L.; Cai, X.; Liang, D.; Su, Y.; Ding, H.; Wang, Q.; et al. IEEE. T. Electron. Dev. 2019, 66, 785. doi: 10.1109/ted.2018.2882397

    45. [45]

      Lu, L. Y.; Gutruf, P.; Xia, L.; Bhatti, D. L.; Wang, X. Y.; Vazquez-Guardado, A.; Ning, X.; Shen, X. R.; Sang, T.; Ma, R. X.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2018, 115, E1374. doi: 10.1073/pnas.171872111

    46. [46]

      Cheng, T.; Luo, X. B.; Huang, S. Y.; Liu, S. Int. J. Therm. Sci. 2010, 49, 196. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2009.07.010

    47. [47]

      McAlinden, N.; Massoubre, D.; Richardson, E.; Gu, E.; Sakata, S.; Dawson, M. D.; Mathieson, K. Opt. Lett. 2013, 38, 992. doi: 10.1364/ol.38.000992

    48. [48]

      Zhao, Z. T.; Li, X.; He, F.; Wei, X. L.; Lin, S. Q.; Xie, C. J. Neural. Eng. 2019, 16, 11. doi: 10.1088/1741-2552/ab05b6

    49. [49]

      Zhao, Z. T.; Luau, L.; Wei, X. L.; Zhu, H. L.; Li, X.; Lin, S. Q.; Siegel, J. J.; Chitwood, R. A.; Xie, C. Nano Lett. 2017, 17, 4588. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b00956

    50. [50]

      Kim, T. I.; McCall, J. G.; Jung, Y. H.; Huang, X.; Siuda, E. R.; Li, Y. H.; Song, J. Z.; Song, Y. M.; Pao, H. A.; Kim, R. H.; et al. Science 2013, 340, 211. doi: 10.1126/science.1232437

    51. [51]

      Kwon, K. Y.; Sirowatka, B.; Weber, A.; Li, W. IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 2013, 7, 593. doi: 10.1109/TBCAS.2013.2282318

    52. [52]

      Ji, B.; Wang, M.; Kang, X.; Gu, X.; Li, C.; Yang, B.; Wang, X.; Liu, J. IEEE T. Electron. Dev. 2017, 64, 2008. doi: 10.1109/ted.2016.2645860

    53. [53]

      Reddy, J. W.; Kimukin, I.; Stewart, L. T.; Ahmed, Z.; Barth, A. L.; Towe, E.; Chamanzar, M. Front Neurosci 2019, 13, 745. doi: 10.3389/fnins.2019.00745

    54. [54]

      Chen, Y. F.; Pei, W. H.; Chen, S. Y.; Wu, X.; Zhao, S. S.; Wang, H.; Chen, H. D. Sens. Actuator B-Chem. 2013, 188, 747. doi: 10.1016/j.snb.2013.07.075

    55. [55]

      Woeppel, K. M.; Zheng, X. S.; Schulte, Z. M.; Rosi, N. L.; Cui, X. Y. T. Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 14. doi: 10.1002/adhm.201900622

    56. [56]

      Lee, S.; Eom, T.; Kim, M. K.; Yang, S. G.; Shim, B. S. Electrochim. Acta 2019, 3 (13), 79. doi: 10.1016/j.electacta.2019.04.099

    57. [57]

      Rui, Y. F.; Liu, J. Q.; Wang, Y. J.; Yang, C. S. Microsyst. Technol. 2011, 17, 437. doi: 10.1007/s00542-011-1279-x

    58. [58]

      Wang, L. C.; Wang, M. H.; Ge, C. F.; Ji, B. W.; Guo, Z. J.; Wang, X. L.; Yang, B.; Li, C. Y.; Liu, J. Q. Biosens. Bioelectron. 2019, 145, 111661. doi: 10.1016/j.bios.2019.111661

    59. [59]

      Zhang, H.; Pei, W. H.; Zhao, S. S.; Yang, X. W.; Liu, R. C.; Liu, Y. Y.; Wu, X.; Guo, D. M.; Gui, Q.; Guo, X. H.; et al. Sci. China-Technol. Sci. 2016, 59, 1399. doi: 10.1007/s11431-016-6099-x

    60. [60]

      Yu, X.; Su, J. Y.; Guo, J. Y.; Zhang, X. H.; Li, R. H.; Chai, X. Y.; Chen, Y.; Zhang, D. G.; Wang, J. G.; Sui, X. H.; et al. J. Neurosci. Methods 2019, 328, 108450. doi: 10.1016/j.jneumeth.2019.108450

    61. [61]

      Ji, B. W.; Wang, M. H.; Ge, C. F.; Xie, Z. Q.; Guo, Z. J.; Hong, W.; Gu, X. W.; Wang, L. C.; Yi, Z. R.; Jiang, C. P.; et al. Biosens. Bioelectron. 2019, 135, 181. doi: 10.1016/j.bios.2019.04.025

    62. [62]

      Packer, A. M.; Roska, B.; Hausser, M. Nat. Neurosci. 2013, 16, 805. doi: 10.1038/nn.3427

    63. [63]

      Liu, X.; Lu, Y. C.; Iseri, E.; Shi, Y. H.; Kuzum, D. Front. Neurosci. 2018, 12, 13. doi: 10.3389/fnins.2018.00132

    64. [64]

      Gross, G. W.; Wen, W. Y.; Lin, J. W. J. Neurosci. Methods 1985, 15, 243. doi: 10.1016/0165-0270(85)90105-0

    65. [65]

      Zhang, J.; Liu, X. J.; Xu, W. J.; Luo, W. H.; Li, M.; Chu, F. B.; Xu, L.; Cao, A. Y.; Guan, J. S.; Tang, S. M.; et al. Nano Lett. 2018, 18, 2903. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00087

    66. [66]

      Kim, K.; English, D.; McKenzie, S.; Wu., F.; Stark, E.; Seymour, J.; Kul, P. C.; Wise, K.; Buzsaki, G.; Yoon, E. GaN-on-Si μLED optoelectrodes for high-spatiotemporal-accuracy optogenetics in freely behaving animals. 2016 Ieee International Electron Devices Meeting, San Francisco, USA, Dec 3-7. 2016; Eds; IEEE: 2016.

    67. [67]

      Guo, Z.; Ji, B.; Wang, M.; Ge, C.; Wang, L.; Gu, X.; Yang, B.; Wang, X.; Li, C.; Liu, J. IEEE Electron Device Lett. 2019, 40, 1190. doi: 10.1109/led.2019.2915323

    68. [68]

      Polikov, V. S.; Tresco, P. A.; Reichert, W. M. J. Neurosci. Methods 2005, 148, 1. doi: 10.1016/j.jneumeth.2005.08.015

    69. [69]

      Henze, D. A.; Borhegyi, Z.; Csicsvari, J.; Mamiya, A.; Harris, K. D.; Buzsaki, G. J. Neurophysiol. 2000, 84, 390. doi: 10.1152/jn.2000.84.1.390

    70. [70]

      王璐璐, 谢泽鑫, 钟成, 唐永强, 叶丰明, 王立平, 鲁艺.物理化学学报, 2020, 36, 1909035. doi: 10.3866/PKU.WHXB201909035Wang, L. L.; Xie, Z. X.; Zhong, C.; Tang, Y. Q.; Ye, F. M.; Wang, L. P.; Lu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1909035. doi: 10.3866/PKU.WHXB201909035

    71. [71]

      Elwassif, M. M.; Kong, Q. J.; Vazquez, M.; Bikson, M. J .J. Neural Eng. 2006, 3, 306. doi: 10.1088/1741-2560/3/4/008

    72. [72]

      Ji, B.; Guo, Z.; Wang, M.; Yang, B.; Wang, X.; Li, W.; Liu, J. Microsyst. Nanoeng 2018, 4, 27. doi: 10.1038/s41378-018-0027-0

    73. [73]

      Ayub, S.; Gentet, L. J.; Fiath, R.; Schwaerzle, M.; Borel, M.; David, F.; Bartho, P.; Ulbert, I.; Paul, O.; Ruther, P. Biomed. Microdevices 2017, 19, 12. doi: 10.1007/s10544-017-0190-3

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  21
  • 文章访问数:  1441
  • HTML全文浏览量:  442
文章相关
  • 发布日期:  2020-12-15
  • 收稿日期:  2019-12-23
  • 接受日期:  2020-01-24
  • 修回日期:  2020-01-24
  • 网络出版日期:  2020-03-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net