研究者が脳に埋め込むことができる柔軟な脳機器インターフェイスを実証した

研究者チームが率いる新しいプロジェクトは、超薄型の柔軟な神経インターフェイスを脳に埋め込む方法を実証しました。このインターフェイスは数千の電極から構成され、6年以上持続することができます。

結果は先月、Science Translational Medicine誌に掲載されました。研究チームには、デューク大学の生物医学工学の助教授であるジョナサン・ヴィヴェンティ、ノースウェスタン大学の材料科学・工学、生物医学工学、神経外科学のルイス・シンプソンとキンバリー・クエリー教授であるジョン・ロジャース、ニューヨーク大学の神経科学の教授であるビジャン・ペサランが含まれています。

脳内のセンサーの課題

ヴィヴェンティは、脳内でセンサーを動作させることの難しさについて話しました。

「これらのセンサーを脳内で動作させることは、折り畳み可能で柔軟なスマートフォンを海に投げ込んで70年間動作することを期待するようなものです。ただし、私たちが作成しているデバイスは、現在の市場にあるスマートフォンよりもはるかに薄く、柔軟性が高くなっています。那が課題です。」

脳内に異物を導入する際には、多くの困難な課題があります。腐食性の高い塩分のある環境に耐え、周囲の組織や免疫システムの攻撃を受ける必要があります。

電気的なデバイスの場合、難易度はさらに高まります。ほとんどの長期にわたる埋め込み可能なデバイスは、レーザー溶接されたチタン製のケースで密封されています。

「そのような埋め込み可能なデバイス用の水密性のある大きなケースを構築することは、1つのエンジニアリングの課題を表しています。」ロジャースさんは述べました。「ここでは、同等の隔離レベルを提供する薄い柔軟な膜を使用した材料の開発に成功したことを報告しています。これらの膜は、紙のシートの100分の1以下の厚さです。」

人間の脳の構造のため、スペースと柔軟性は非常に重要です。人間の脳には数十億の神経細胞がありますが、現在の神経インターフェイスは約100箇所しかサンプリングできません。この特定の課題により、研究チームは新しいアプローチを開発する必要がありました。

「センサー自体に電子機器を移動し、複数の入力信号を処理できるローカルな知能を開発する必要があります。」ヴィヴェンティさんは述べました。「これは、デジタルカメラの仕組みです。数百万のピクセルを持つことができますが、数百万のワイヤーは必要ありません。多くのピクセルが同じデータチャンネルを共有しているからです。」

研究者たちは、360の電極から構成される25マイクロメートルの厚さの柔軟な神経デバイスを作成することができました。

「私たちは、さまざまな戦略を試みましたが、必要なほど薄いポリマーを堆積させると、故障を引き起こす欠陥が生じてしまいました。厚いポリマーは必要な柔軟性がなかったのです。しかし、最終的にすべてを超える戦略を見つけることができ、脳内で動作するようにしました。」ヴィヴェンティさんは述べました。

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二酸化ケイ素の層

論文では、熱的に成長させた1マイクロメートル以下の厚さの二酸化ケイ素の層が、脳内の環境を制御するのに役立つことを実証しています。劣化の速度は1日あたり0.46ナノメートルですが、少量の二酸化ケイ素は体内に吸収され、問題を引き起こすことはありません。

研究者たちは、デバイス内の電極が、静電容量センシングを使用して神経活動を検出できることも実証しました。

新しい開発は、この技術をさらに進歩させるための最初のステップの1つです。チームは現在、プロトタイプを1000個の電極から65000個以上に増やしています。

「私たちの目標の1つは、脳と直接相互作用する新しいタイプの視覚プロステーゼを作成することです。これにより、損傷した視神経を持つ人々が少なくともある程度の視力回復が可能になることを目指しています。ただし、これらのデバイスを使用して、他のタイプのプロステーゼを制御したり、幅広い神経科学研究プロジェクトで使用したりすることもできます。」ヴィヴェンティさんは述べました。