Abstract

To deliver light to the brain for neuroscientific and neuroengineering applications like optogenetics, in which light is used to activate or silence neurons expressing specific photosensitive proteins, optical fibers are commonly used. However, an optical fiber is limited to delivering light to a single target within the 3D structure of the brain. Here, we describe the design and fabrication of an array of thin microwaveguides, which terminates at a three-dimensionally distributed set of points, appropriate for delivering light to targets distributed in a 3D pattern throughout the brain.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
    [CrossRef]
  2. X. Han and E. S. Boyden, PLoS ONE 2, e299 (2007).
    [CrossRef]
  3. F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
    [CrossRef]
  4. B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
    [CrossRef]
  5. X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
    [CrossRef]
  6. T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
    [CrossRef]
  7. M. Im, I. J. Cho, F. Wu, K. D. Wise, and E. Yoon, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, 2011), pp. 1051–1054.
  8. S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
    [CrossRef]
  9. E. Stark, T. Koos, and G. Buzsaki, J. Neurophysiol. 108, 349 (2012).
    [CrossRef]
  10. A. N. Zorzos, E. S. Boyden, and C. G. Fonstad, Opt. Lett. 35, 4133 (2010).
    [CrossRef]

2012 (2)

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

E. Stark, T. Koos, and G. Buzsaki, J. Neurophysiol. 108, 349 (2012).
[CrossRef]

2011 (1)

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

2010 (3)

A. N. Zorzos, E. S. Boyden, and C. G. Fonstad, Opt. Lett. 35, 4133 (2010).
[CrossRef]

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

2007 (2)

X. Han and E. S. Boyden, PLoS ONE 2, e299 (2007).
[CrossRef]

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

2005 (1)

E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
[CrossRef]

Abaya, T. V. F.

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Bamberg, E.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
[CrossRef]

Baratta, M. V.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Barbic, M.

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

Belfort, G. M.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Blair, S.

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Boyden, E. S.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

A. N. Zorzos, E. S. Boyden, and C. G. Fonstad, Opt. Lett. 35, 4133 (2010).
[CrossRef]

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

X. Han and E. S. Boyden, PLoS ONE 2, e299 (2007).
[CrossRef]

E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
[CrossRef]

Brauner, M.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

Buzsaki, G.

E. Stark, T. Koos, and G. Buzsaki, J. Neurophysiol. 108, 349 (2012).
[CrossRef]

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

Cho, I. J.

M. Im, I. J. Cho, F. Wu, K. D. Wise, and E. Yoon, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, 2011), pp. 1051–1054.

Chow, B. Y.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Chuong, A.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Chuong, A. S.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Clark, G. A.

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Deisseroth, K.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
[CrossRef]

Desimone, R.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Diwekar, M.

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Dobry, A. S.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Fonstad, C. G.

Gottschalk, A.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

Han, X.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

X. Han and E. S. Boyden, PLoS ONE 2, e299 (2007).
[CrossRef]

Henninger, M. A.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Im, M.

M. Im, I. J. Cho, F. Wu, K. D. Wise, and E. Yoon, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, 2011), pp. 1051–1054.

Kay, K.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

Klapoetke, N. C.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Koos, T.

E. Stark, T. Koos, and G. Buzsaki, J. Neurophysiol. 108, 349 (2012).
[CrossRef]

Li, M.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Liewald, J. F.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

Lin, Y.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Losonczy, A.

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

Magee, J. C.

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

Monahan, P. E.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Nagel, G.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
[CrossRef]

Qian, X.

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Rajimehr, R.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Rieth, L.

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Royer, S.

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

Solzbacher, F.

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Stark, E.

E. Stark, T. Koos, and G. Buzsaki, J. Neurophysiol. 108, 349 (2012).
[CrossRef]

Tathireddy, P.

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Wang, L. P.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

Watzke, N.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

Winkle, J.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Wise, K. D.

M. Im, I. J. Cho, F. Wu, K. D. Wise, and E. Yoon, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, 2011), pp. 1051–1054.

Wood, P. G.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

Wu, F.

M. Im, I. J. Cho, F. Wu, K. D. Wise, and E. Yoon, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, 2011), pp. 1051–1054.

Yang, A.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Yoon, E.

M. Im, I. J. Cho, F. Wu, K. D. Wise, and E. Yoon, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, 2011), pp. 1051–1054.

Zemelman, B. V.

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

Zhang, F.

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
[CrossRef]

Zhou, H.

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

Zorzos, A. N.

Eur. J. Neurosci. (1)

S. Royer, B. V. Zemelman, M. Barbic, A. Losonczy, G. Buzsaki, and J. C. Magee, Eur. J. Neurosci. 31, 2279(2010).
[CrossRef]

Front. Syst. Neurosci. (1)

X. Han, B. Y. Chow, H. Zhou, N. C. Klapoetke, A. Chuong, R. Rajimehr, A. Yang, M. V. Baratta, J. Winkle, R. Desimone, and E. S. Boyden, Front. Syst. Neurosci. 5, 18 (2011).
[CrossRef]

J. Neurophysiol. (1)

E. Stark, T. Koos, and G. Buzsaki, J. Neurophysiol. 108, 349 (2012).
[CrossRef]

Nat. Neurosci. (1)

E. S. Boyden, F. Zhang, E. Bamberg, G. Nagel, and K. Deisseroth, Nat. Neurosci. 8, 1263 (2005).
[CrossRef]

Nature (2)

F. Zhang, L. P. Wang, M. Brauner, J. F. Liewald, K. Kay, N. Watzke, P. G. Wood, E. Bamberg, G. Nagel, A. Gottschalk, and K. Deisseroth, Nature 446, 633 (2007).
[CrossRef]

B. Y. Chow, X. Han, A. S. Dobry, X. Qian, A. S. Chuong, M. Li, M. A. Henninger, G. M. Belfort, Y. Lin, P. E. Monahan, and E. S. Boyden, Nature 463, 98 (2010).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

PLoS ONE (1)

X. Han and E. S. Boyden, PLoS ONE 2, e299 (2007).
[CrossRef]

Proc. SPIE (1)

T. V. F. Abaya, M. Diwekar, S. Blair, P. Tathireddy, L. Rieth, G. A. Clark, and F. Solzbacher, Proc. SPIE 8207, 82075M (2012).
[CrossRef]

Other (1)

M. Im, I. J. Cho, F. Wu, K. D. Wise, and E. Yoon, 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, 2011), pp. 1051–1054.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1.
Fig. 1.

Design, fabrication, and assembly of an implantable 3D waveguide array capable of independent light delivery to sets of neural targets in brain tissue. (a) Schematic showing the assembly procedure. (b) Photomicrographs of waveguide comb, baseplate holder, and alignment piece. Scale bar, 1 mm. (c) SEM micrograph of assembled 3D waveguide array with a zoomed-in view of the output apertures. Output apertures shown here are 9μm×30μm. Scale bar, 100 μm.

Fig. 2.
Fig. 2.

Optical systems for coupling light to 3D waveguide arrays. (a) Coupling method using a DMD chipset. (b) Coupling method using a scanning galvanometer. (c) Photomicrograph of 3D waveguide array showing an arbitrary illumination pattern using the DMD-based method. (d) Photomicrograph of the 3D waveguide array showing a DMD-mediated illumination pattern, “M-I-T”. Scale bar, 150 μm.

Metrics