Forskere demonstrerer fleksible hjernegrænseflader

Et nyt projekt ledet af et hold af forskere har demonstreret, hvordan en ultratyn, fleksibel neural grænseflade kan implanteres i hjernen. Grænsefladen består af tusinder af elektroder og kan vare i over seks år.

Resultaterne blev offentliggjort sidste måned i tidsskriftet Science Translational Medicine. Holdet af forskere inkluderer Jonathan Viventi, en adjunktprofessor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Duke University; John Rogers, Louis Simpson og Kimberly Querrey-professor i materialsvidenskab og ingeniørvidenskab, biomedicinsk ingeniørvidenskab og neurokirurgi ved Northwestern University; og Bijan Pesaran, en professor i neurvidenskab ved NYU.

Udfordringer omkring sensorer i hjernen

Viventi talte om vanskeligheden ved at få sensorer til at fungere i hjernen.

“At forsøge at få disse sensorer til at fungere i hjernen er som at smide din foldbare, fleksible smartphone i havet og forvente, at den fungerer i 70 år,” sagde Viventi. “Undtagen vi laver enheder, der er meget tyndere og mere fleksible end de telefoner, der er på markedet i øjeblikket. Det er udfordringen.”

Der er mange vanskelige udfordringer, når det kommer til at introducere fremmede objekter i hjernen. De skal kunne eksistere i en korrosiv, salt miljø, og omgivende væv og immunsystemet angriber objektet.

Vanskeligheden øges endda mere, når man taler om elektriske enheder. De fleste langtidsholderbare enheder er hermetisk lukkede med laser-svejsede titanbeholdere.

“At bygge vandtætte, massive indkapslinger til sådanne typer af implantater repræsenterer en niveau af ingeniørudfordring,” sagde Rogers. “Vi rapporterer her om den succesfulde udvikling af materialer, der giver lignende niveauer af isolation, men med tynde, fleksible membraner, der er hundred gange tyndere end et ark papir.”

På grund af hjernens layout er plads og fleksibilitet ekstremt vigtige. Hjernen består af titusinder af milliarder af neuroner, men eksisterende neurale grænseflader kan kun prøve omkring hundredvis af steder. Denne specifikke udfordring har ført til, at holdet af forskere har udviklet nye tilgange.

“Du skal flytte elektronikken til sensorerne selv og udvikle lokal intelligens, der kan håndtere multiple indgående signaler,” sagde Viventi. “Det er, hvordan digitale kameras fungerer. Du kan have titusinder af millioner af pixel uden titusinder af millioner af ledninger, fordi mange pixel deler de samme datakanaler.”

Forskerne var i stand til at komme op med fleksible neurale enheder, der er 25 mikrometer tykke, bestående af 360 elektroder.

“Vi prøvede en masse strategier før. At aflejre polymerer så tynde, som det kræves, resulterede i defekter, der fik dem til at fejle, og tykkere polymerer havde ikke den fleksibilitet, der var krævet,” sagde Viventi. “Men vi fandt endelig en strategi, der overlever dem alle, og har nu gjort det arbejde i hjernen.”

https://www.youtube.com/watch?time_continue=41&v=4tOP97aokOU&feature=emb_title

Lag af siliciumdioxid

Artiklen demonstrerer, hvordan et lag af siliciumdioxid på under en mikrometer, der er termisk vokset, kan hjælpe med at temme miljøet inden for hjernen. Forfaldsrate er 0,46 nanometer per dag, men de små mængder kan opløses i kroppen uden at skabe problemer.

Forskerne demonstrerede også, hvordan elektroderne i enheden kan bruge kapacitiv sansning til at registrere neural aktivitet.

De nye udviklinger er kun et af de første skridt til at udvikle denne teknologi yderligere. Holdet arbejder nu på at øge prototypen fra 1.000 elektroder til over 65.000.

“En af vores mål er at skabe en ny type visuel protese, der interagerer direkte med hjernen, der kan genskabe mindst nogen synskapacitet for mennesker med beskadigede optiske nerver,” sagde Viventi. “Men vi kan også bruge disse typer af enheder til at styre andre typer af proteser eller i en bred vifte af neurovidenskabelige forskningsprojekter.”