Ερευνητές Αποδεικνύουν Ελαστικές Διεπαφές Εγκεφάλου

Ένα νέο πρότζεκτ υπό την ηγεσία μιας ομάδας ερευνητών έχει αποδείξει πώς μια υπερλεπτή, ελαστική νευρωνική διεπαφή μπορεί να εμφυτευθεί στον εγκέφαλο. Η διεπαφή αποτελείται από χιλιάδες ηλεκτρόδια και μπορεί να διαρκέσει πάνω από έξι χρόνια.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν τον προηγούμενο μήνα στο περιοδικό Science Translational Medicine. Η ομάδα των ερευνητών περιλαμβάνει τον Jonathan Viventi, αναπληρωτή καθηγητή βιοϊατρικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Duke, τον John Rogers, καθηγητή υλικών επιστήμης και μηχανικής, βιοϊατρικής μηχανικής και νευροχειρουργικής στο Πανεπιστήμιο Northwestern και τον Bijan Pesaran, καθηγητή νευροεπιστήμης στο NYU.

Προκλήσεις Γύρω από τους Αισθητήρες στον Εγκέφαλο

Ο Viventi μίλησε για τη δυσκολία να λειτουργήσουν οι αισθητήρες στον εγκέφαλο.

“Η προσπάθεια να λειτουργήσουν αυτοί οι αισθητήρες στον εγκέφαλο είναι σαν να ρίχνεις το πτυσσόμενο, ελαστικό σου smartphone στη θάλασσα και να περιμένεις να λειτουργήσει για 70 χρόνια”, είπε ο Viventi. “Εξαιρετικά, κατασκευάζουμε συσκευές που είναι πολύ λεπτότερες και πιο ελαστικές από τα τηλέφωνα που υπάρχουν αυτή τη στιγμή στην αγορά. Αυτή είναι η πρόκληση.”

Υπάρχουν πολλές δύσκολες προκλήσεις όταν πρόκειται για την εισαγωγή ξένων αντικειμένων στον εγκέφαλο. Πρέπει να είναι σε θέση να υπάρχουν σε ένα διαβρωτικό, αλμυρό περιβάλλον και τα περιβάλλοντα ιστία και το ανοσοποιητικό σύστημα επιτίθενται στο αντικείμενο.

Η δυσκολία αυξάνεται ακόμη περισσότερο όταν μιλάμε για ηλεκτρικές συσκευές. Οι περισσότερες μακροχρόνιες εμφυτεύσιμες συσκευές είναι ερμητικά σφραγισμένες με laser-συγκολλημένα κάλυμματα τιτανίου.

“Η κατασκευή αδιάβροχων, μαζικών περιβαλλόντων για τέτοιους τύπους εμφυτεύσιμων συσκευών αντιπροσωπεύει ένα επίπεδο μηχανικής πρόκλησης”, είπε ο Rogers. “Αναφέρουμε εδώ την επιτυχή ανάπτυξη υλικών που παρέχουν παρόμοια επίπεδα απομόνωσης, αλλά με λεπτές, ελαστικές μεμβράνες που είναι εκατό φορές λεπτότερες από ένα φύλλο χαρτιού.”

Λόγω του σχεδιασμού του ανθρώπινου εγκεφάλου, ο χώρος και η ευελιξία είναι εξαιρετικά σημαντικοί. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από δεκάδες δισεκατομμύρια νευρώνων, αλλά οι υπάρχουσες νευρωνικές διεπαφές μπορούν να δείξουν μόνο γύρω στα 100 σημεία. Αυτή η συγκεκριμένη πρόκληση οδήγησε την ομάδα των ερευνητών να αναπτύξει νέες προσεγγίσεις.

“Πρέπει να μεταφέρετε την ηλεκτρονική στον εαυτό του τον αισθητήρα και να αναπτύξετε τοπική νοημοσύνη που μπορεί να χειριστεί πολλαπλά εισερχόμενα σήματα”, είπε ο Viventi. “Αυτό είναι πώς λειτουργούν οι ψηφιακές κάμερες. Μπορείτε να έχετε δεκάδες εκατομμύρια pixel χωρίς δεκάδες εκατομμύρια καλώδια, επειδή πολλά pixel μοιράζονται τα ίδια κανάλια δεδομένων.”

Οι ερευνητές μπόρεσαν να αναπτύξουν ελαστικές νευρωνικές συσκευές που είναι 25 μικρόμετρα πάχους, αποτελούμενες από 360 ηλεκτρόδια.

“Δοκιμάσαμε πολλές στρατηγικές πριν. Η εναπόθεση πολυμερών τόσο λεπτών όσο απαιτείται οδήγησε σε ελαττώματα που προκάλεσαν την αποτυχία τους, και παχύτερα πολυμερή δεν είχαν την ευελιξία που απαιτείτο”, είπε ο Viventi. “Αλλά τελικά βρήκαμε μια στρατηγική που υπερβαίνει όλες τις προηγούμενες και τώρα έχει δουλέψει στον εγκέφαλο.”

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

Στρώμα από Διοξείδιο του Πυριτίου

Το έγγραφο αποδεικνύει πώς ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου λιγότερο από ένα μικρόμετρο πάχους, το οποίο είναι θερμικά αναπτυγμένο, μπορεί να βοηθήσει να ηρεμήσει το περιβάλλον μέσα στον εγκέφαλο. Ο ρυθμός αποσύνθεσης είναι 0,46 νανομέτρα ανά ημέρα, αλλά οι μικρές ποσότητες μπορούν να διαλυθούν στο σώμα χωρίς να δημιουργήσουν κανένα πρόβλημα.

Οι ερευνητές απέδειξαν επίσης πώς τα ηλεκτρόδια μέσα στη συσκευή μπορούν να χρησιμοποιήσουν χωρητική ανίχνευση για να ανιχνεύσουν νευρωνική δραστηριότητα.

Οι νέες εξελίξεις είναι μόνο ένα από τα πρώτα βήματα για την προώθηση αυτής της τεχνολογίας. Η ομάδα εργάζεται τώρα για την αύξηση του πρωτοτύπου από 1.000 ηλεκτρόδια σε πάνω από 65.000.

“Ένα από τα στόχους μας είναι να δημιουργήσουμε einen νέο τύπο οπτικού προθετικού που αλληλεπιδρά άμεσα με τον εγκέφαλο και μπορεί να αποκαταστήσει τουλάχιστον κάποια οπτική ικανότητα για άτομα με κατεστραμμένα οπτικά νεύρα”, είπε ο Viventi. “Αλλά μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε αυτούς τους τύπους συσκευών για να ελέγξουμε άλλους τύπους προθετικών ή σε eine ευρεία γκάμα νευροεπιστημονικών ερευνητικών προγραμμάτων.”