Optoelectrical Fibertrodes based on Microfabrication for Neural Stimulation and Recordings

In this document, the thesis report for the Master’s degree in ICT for Internet and Multimedia at the University of Padova (Unipd) and the Master of Science in Photonics Engineering at the Technical University of Denmark (DTU) is reported. The project corresponds to 30 ECTS for both universities, and it is the last activity for achieving the degrees under the TIME (Top International Managers in Engineering) double-degree program. This thesis reports on designing, fabricating, and characterizing fibertrode devices for neural stimulation in the central nervous system. These waveguide-shaped interfaces aim to optically stimulate selected spinal cord regions with optogenetics by introducing scattering points along the waveguide. Simultaneously, the interfaces electrically record the neural response via exposed metal electrodes, whose signal can be read by connectorizing them to a setup for electrophysiology. Chapter 1 contains an overview of the topic of the project, with a brief description of the research problem to be solved, the contribution of this project, the methods, and the previous work on this matter. Chapter 2 provides an overview of the theoretical knowledge acquired and applied during the project, mainly dealing with polymer waveguide fabrication, optrode design, optogenetics, and electrophysiology. Chapter 3 briefly introduces finite-element modeling and the information on the simulations evaluated in COMSOL Multiphysics and the Wave Optics package to analyze the scattering properties for different geometrical parameters. Chapter 4 includes the most significant contribution of the thesis and illustrates the tested fabrication processes for the optrode interface, concluding with a protocol for the fabrication of the final device. In Chapter 5, the characterization methods of the optrode are illustrated. The employed techniques include the probing of optical scattering and electrochemical impedance spectroscopy. The final analysis consisted of an acute in vivo study in collaboration with the University of Copenhagen for electrophysiological recordings along the spinal cord of a rat. Finally, Chapter 6 summarizes the project’s key findings and hints at possible future work possibilities to improve the interface further.

Nel seguente documento è riportata la tesi per la laurea magistrale in ICT for Internet and Multimedia presso l’Università degli Studi di Padova (Unipd) e in Photonics Engineering presso la Technical University of Denmark (DTU). Il progetto corrisponde a 30 CFU per entrambe le università, ed è l’ultima attività per conseguire le due lauree con il programma di doppia laurea TIME (Top International Managers in Engineering). La seguente tesi riguarda la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi fibertrode per stimulazione neurale nel sistema central nervoso. Queste interfacce a forma di guida d’onda mirano a stimulare specifiche regioni del midollo spinale tramite l’optogenetica, introducendo punti di scattering lungo la guida d’onda. Inoltre, le interfacce misurano i segnali elettrici neurali tramite elettrodi in metallo, la cui risposta può essere registrata tramite connettorizzazione ad un’interfaccia per l’elettrofisiologia. Il Capitolo 1 contiene una panoramica dell’argomento del progetto, con una breve descrizione del problema di ricerca da risolvere, la contribuzione di questo progetto, i metodi sperimentali e clinici, e i precedenti studi al riguardo. Il Capitolo 2 offre una panoramica delle conoscenze teoriche acquisite e applicate durante il progetto, in particolare riguardo alla fabbricazione di guide d’onda in polimero, la progettazione di optrodi, l’optogenetica, e l’elettrofisiologia. Il Capitolo 3 introduce brevemente il metodo degli elementi finiti e le informazioni sulle simulazioni prodotte in COMSOL Multiphysics e il pacchetto Wave Optics per analizzare le proprietà di scattering per diversi parametri geometrici. Il Capitolo 4 contiene la contribuzione più significativa della tesi e illustra i processi di fabbricazione testati per l’interfaccia neurale, terminando con un protocollo per la fabbricazione del dispositivo finale. Nel Capitolo 5 sono illustrati i metodi di caratterizzazione per l’optrode. Le tecniche utilizzate includono il tracciamento dello scattering ottico e la spettroscopia d’impedenza elettrochimica. L’ultima analisi consiste in uno studio in vivo acuto in collaborazione con l’Università di Copenaghen per registrazioni elettrofisiologiche lungo il midollo spinale di un ratto. Infine, il Capitolo 6 riepiloga le principali scoperte del progetto e conclude con dei suggerimenti per possibili studi futuri volti a migliorare ulteriormente l’interfaccia.