Ερευνητές Αποδεικνύουν Ελαστικές Διεπαφές Εγκεφάλου

Ένα νέο πρόγραμμα που ηγήθηκε μια ομάδα 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, βοηθό 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 στην θάλασσα και να περιμένεις να λειτουργήσει για 70 χρόνια”, είπε ο Viventi. “Εξαιρέτως κάνουμε 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 οι περιβάλλοντες ιστοί 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, ογκωδών περιβαλλόντων για τέτοιους τύπους εμφυτεύσιμων συσκευών αντιπροσωπεύει ένα επίπεδο μηχανικής πρόκλησης”, είπε ο Rogers. “Αναφέρουμε εδώ την επιτυχημένη 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 σημαντικά. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από δεκάδες δισεκατομμύρια νευρώνων, αλλά οι υπάρχουσες νευρωνικές διεπαφές μπορούν να δειγματοληψούν μόνο γύρω στα εκατό σημεία. Αυτή η συγκεκριμένη πρόκληση οδήγησε την ομάδα των ερευνητών να αναπτύξουν νέες προσεγγίσεις.

“Πρέπει να μεταφέρετε την ηλεκτρονική στον ίδιο 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 γιατί πολλά pixel μοιράζονται τους ίδιους διαύλους δεδομένων.”

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

“Δοκιμάσαμε πολλές στρατηγικές πριν. Η απόθεση πολυμερών τόσο λεπτών όσο απαιτείται οδήγησε σε ελαττώματα που τις έκαναν να αποτύχουν και παχύτερα πολυμερή δεν είχαν την ευελιξία που απαιτείτο”, είπε ο Viventi. “Αλλά τελικά βρήκαμε μια στρατηγική που ξεπερνά όλες τις προηγούμενες και τώρα την κάνουμε να λειτουργήσει στον εγκέφαλο.”

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

Στρώμα Πυριτίου

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

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

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

“Ένα από τα στόχους μας είναι να δημιουργήσουμε einen νέο τύπο οπτικής προθέματος που αλληλεπιδρά άμεσα με τον εγκέφαλο και μπορεί να αποκαταστήσει τουλάχιστον κάποια ικανότητα όρασης για άτομα με κατεστραμμένα οπτικά νεύρα”, είπε ο Viventi. “Αλλά μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε αυτούς τους τύπους συσκευών για να ελέγξουμε άλλους τύπους προθεμάτων ή σε một ευρύ φάσμα νευροεπιστημονικών ερευνητικών έργων.”