可植入纳米光子神经探针：集成模式化光刺激与电生理记录的新突破

这篇研究报道了一种基于硅光子集成技术（PIC）的可植入神经探针，创新性地将微电极与纳米光子电路（SiN波导/光栅发射器）结合，实现了深部脑区的空间选择性光遗传学刺激（波长488 nm）与电生理记录同步。该探针能发射低发散光束（LD）和平面光片（LS）两种工程化光场，输出功率>5 μW（强度达64.2 mW/mm2），可诱发从单细胞放电到网络级癫痫发作的神经活动，同时保持组织温升?1°C。通过商用光子集成电路（PIC）代工厂（AMF）制造，为大规模生产多功能脑机接口提供了新范式。

　　

纳米光子神经探针技术突破
研究团队开发出基于硅光子集成技术（PIC）的可植入神经探针，通过200 mm晶圆级制造工艺（AMF代工）实现微电极与纳米光子电路的单片集成。探针采用硅氮化物（SiN）波导层（120 nm LPCVD或200 nm PECVD）和三层铝（Al）金属布线，表面覆盖生物相容性氮化钛（TiN）微电极。创新性的激光后处理技术使15×15 μm²电极阻抗从8.4 MΩ降至1.48 MΩ，噪声水平低至5.2±0.38 μV。

光学性能精准调控
探针设计两种光发射模式：低发散光束（LD）探针在4 mm长、100 μm宽的单柄上集成16个光栅发射器（6×24.6 μm²，间距64 μm）和18个电极；光片（LS）探针采用四柄结构（78 μm宽/200 μm间距），通过8个光栅（0.8×27.7 μm²）合成平面光束。在散射介质中，LD光束100 μm传播距离后展宽至68 μm FWHM，而LS光束形成728 μm宽的光片，实现11倍的照射范围差异。

多模态神经调控验证
在Thy1-ChR2-YFP转基因小鼠实验中，488 nm光刺激（30 ms脉冲，5 Hz）显示：

1. 空间选择性：LS探针的5个光片可独立激活不同深度神经元，400 μm距离外激活概率（ActProb）降至<40%
2. 网络级响应：1 s连续光刺激引发显著放电疲劳（LS探针抑制持续880 ms vs LD探针130 ms）
3. 癫痫诱导：海马CA1区153 μW光刺激（10 Hz脉冲）成功诱发Racine 5级癫痫发作，温升<1°C

技术优势与转化前景
相比μLED集成探针（wall-plug效率<3%），该技术采用外置激光源，通过16芯多模光纤（MCF）耦合实现<-26 dB串扰。未来可通过3D集成（hybrid bonding）将电极密度提升至10⁴级，结合波长复用技术扩展至多色光遗传学操作。该平台为研究癫痫发作传播、记忆编码等神经环路机制提供了精准工具，其代工兼容性更利于技术转化。

组织兼容性与安全性
探针柄厚度可减至40-60 μm（经CMP抛光），植入后通过DiI荧光标记验证定位准确性。温度模拟表明280 μW连续光输出仅使组织升温0.9°C，符合生物安全标准。慢性实验需进一步优化光纤-芯片耦合封装（当前1-4 dB/周功率衰减）以延长器件寿命。