Tutkijat osoittavat joustavat aivoliitännät

Uuden tutkimushankkeen johtajana toimiva tutkijaryhmä on osoittanut, miten erittäin ohut ja joustava hermostoliittymä voidaan istuttaa aivoihin. Liittymä koostuu tuhansista elektrodeista ja sen kesto on yli kuusi vuotta.

Tulokset julkaistiin viime kuussa Science Translational Medicine -tiedelehdessä. Tutkijaryhmään kuuluvat Jonathan Viventi, Duke Universityn apulaisprofessori biolääketieteellisessä insinööritieteessä; John Rogers, Northwestern Universityn Louis Simpsonin ja Kimberly Querrey -materiaalitieteiden, biolääketieteellisen insinööritieteellisen ja neurologisen kirurgian professori; ja Bijan Pesaran, NYU:n hermostotieteen professori.

Häiriöt aivojen anturien ympärillä

Viventi puhui anturien toimimisen vaikeudesta aivoissa.

“Yrittää saada nämä anturit toimimaan aivoissa on kuin heittäminen taitettava, joustava puhelin meressä ja odottaminen, että se toimii 70 vuotta”, sanoi Viventi. “Paitsi me teemme laitteita, jotka ovat paljon ohuempia ja joustavampia kuin markkinoilla olevat puhelimet. Se on haaste.”

On monia haasteita, kun on kyse vieraiden esineiden sisääntulosta aivoihin. Niiden on kyettävä olemaan olemassa korroosivassa, suolaisessa ympäristössä, ja ympäröivät kudokset ja immuunijärjestelmä hyökkäävät kohteeseen.

Vaikeus lisääntyy entisestään, kun puhutaan sähköisistä laitteista. Useimmat pitkäaikaiset istutettavat laitteet on suljettu laserhitsatulla titaanikuorilla.

“Vedenpitävien, massiivisten kuorien rakentaminen tällaisille istutteille edustaa yhtä insinööritieteellistä haastetta”, sanoi Rogers. “Me ilmoitamme tässä onnistuneesta materiaalien kehittämisestä, jotka tarjoavat samanlaiset eristystasot, mutta ohuilla, joustavilla kalvoilla, jotka ovat sata kertaa ohuempia kuin paperiarkki.”

Ihmisaivojen rakenteen vuoksi tila ja joustavuus ovat erittäin tärkeitä. Ihmisaivot koostuvat kymmenistä miljardeista hermosoluista, mutta olemassa olevat hermostoliittymät voivat vain ottaa näytteitä noin sadasta paikasta. Tämä tietty haaste on johtanut tutkijaryhmän kehittämään uusia lähestymistapoja.

“On siirrettävä elektroniikkaa itse antureihin ja kehitettävä paikallista älykkyyttä, joka voi käsitellä useita saapuvia signaaleja”, sanoi Viventi. “Tämä on, miten digitaalikamerat toimivat. Voit käyttää kymmeniä miljoonia pikseleitä ilman, että sinulla on kymmeniä miljoonia johtoja, koska useat pikselit jakavat samat tiedonkanavat.”

Tutkijat pystyivät kehittämään joustavia hermostolaitteita, jotka ovat 25 mikrometrin paksuisia ja koostuvat 360 elektrodista.

“Kokeilimme joukkoa strategioita ennen. Polymeerien tallettaminen niin ohueksi kuin vaaditaan johti virheisiin, jotka aiheuttivat niiden epäonnistumisen, ja paksut polymeerit eivät olleet tarpeeksi joustavia”, sanoi Viventi. “Mutta lopulta löysimme strategian, joka kestää kaiken ja on nyt saanut aikaan toimivan aivoissa.”

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

Piilevä kerros

Tutkimus osoittaa, miten alle yhden mikrometrin paksuinen piioksidin kerros, joka on termisesti kasvatettu, voi auttaa hillitsemään ympäristön aivoissa. Hajoamisnopeus on 0,46 nanometriä päivässä, mutta pienet määrät voivat liueta kehoon aiheuttamatta ongelmia.

Tutkijat osoittivat myös, miten laitteen elektrodit voivat käyttää kapasitiivista aistimista havaitsemaan hermostoaktiivisuutta.

Uudet kehitys on vasta yksi askel tämän teknologian edistämiseksi. Tutkijaryhmä työskentelee parhaillaan mallin kasvattamiseksi 1 000:sta elektrodista yli 65 000:een.

“Yksi tavoitteistamme on luoda uudenlainen visuaalinen proteesi, joka vuorovaikuttaa suoraan aivojen kanssa ja voi palauttaa ainakin jonkin näkökyvyn ihmisille, joilla on vahingoittuneet optiset hermot”, sanoi Viventi. “Mutta voimme myös käyttää näitä laitteita muiden proteesien ohjaamiseen tai laajassa neurotieteellisessä tutkimuksessa.”