集成激光器和片上传感器的纳米光子神经探针用于可寻址光刺激

研究单个神经元在行为和疾病中的作用，需要能够以高时空分辨率控制神经活动的工具。可植入式纳米光子神经探针能够提供靶向光刺激，从而实现对具有不同遗传特征的神经元进行选择性控制；然而，这类技术在实现可扩展的发射器密度方面仍面临障碍，并且缺乏用于监测与器件运行相关反馈信号的传感器。为了解决这一问题，我们开发了激光集成式纳米光子神经探针，其特点是采用混合集成激光二极管（LD）和热光光子开关，以实现可扩展的发射器寻址，并集成片上传感器以在光刺激过程中监测光功率和温度。器件在商用硅光子代工厂中，基于200 mm直径的绝缘体上硅（SOI）晶圆、采用有源可见光平台制备，并通过我们定制开发的电子电路板进行控制。每个器件均集成了一个混合集成的 InGaN 激光二极管，可将450 nm光耦合进入可重构的光子开关树中，并通过沿3 mm可植入式探针柄分布的16个发射器提供具有空间分辨能力的光刺激。利用片上光电探测器，我们展示了该器件如何实现开关树校准，以及在光刺激过程中进行输出功率监测。此外，借助片上温度传感器，我们表明，由激光二极管和热光开关激活所引起的器件温度扰动，可在光刺激过程中被直接监测，从而确保温度波动保持在1 °C以下。我们通过在体光遗传学实验验证了该设计：在实施高时空分辨率光刺激的同时，结合 Neuropixels 记录以监测诱发响应。总体而言，这些可扩展的集成器件为神经科学家开展无光纤光遗传学实验提供了一条能够实现更高控制性和精确性的途径。

研究单个神经元在行为和疾病中的作用，需要能够以高时空分辨率控制神经活动的工具。可植入纳米光子神经探针能够提供靶向光刺激，从而实现对遗传学上不同的神经元进行选择性控制；然而，这类探针在实现可扩展的发射器密度方面仍面临障碍，并且缺乏用于监测与器件运行相关反馈信号的传感器。为了解决这一问题，我们开发了激光集成纳米光子神经探针，其集成了混合集成激光二极管（LD）和热光光子开关，用于实现可扩展的发射器寻址，并集成片上传感器以在光刺激过程中监测光功率和温度。器件在商业硅光子代工厂的200毫米直径绝缘体上硅（SOI）晶圆有源可见光平台上制造，并通过我们定制开发的电子电路板进行控制。每个器件均包含一个混合集成的 InGaN LD，可将450 nm光耦合进入一个可重构光子开关树，通过沿3 mm可植入探针柄分布的16个发射器提供空间分辨的光刺激。利用片上光电探测器，我们展示了器件如何实现开关树校准以及在光刺激过程中对输出功率的监测。此外，借助片上温度传感器，我们表明，由LD和热光开关激活引起的器件温度扰动能够在光刺激过程中被直接监测，从而确保温度波动保持在1 °C以下。我们通过在体光遗传学实验验证了该设计，在实验中施加高时空分辨率的光刺激，并同时进行 Neuropixels 记录以监测诱发响应。总体而言，这些可扩展集成器件为神经科学家开展无光纤光遗传学实验提供了一条实现更高控制性和精确性的路径。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.24.740534v1?rss=1

🏷️ 纳米光子神经探针 光遗传学 可寻址光刺激 片上传感器 Neuropixels记录