Ingenieurs ontwikkelen geavanceerd brein-computerinterface met micronaalden

Onderzoekers van de University of California – San Diego hebben een geavanceerd brein-computerinterface (BCI) ontwikkeld dat bestaat uit een flexibele en vormbare achterkant, evenals doorborende micronaalden. De flexibele achterkant maakt het mogelijk voor het BCI om beter aan te sluiten bij de complexe, gebogen oppervlakte van de hersenen. Het maakt ook mogelijk om de micronaalden uniform te distribueren die de cortex binnendringen.

Micronaalden en Flexibele Achterkant

Deze micronaalden zijn 10 keer dunner dan mensenhaar en komen uit de flexibele achterkant. Ze dringen vervolgens de oppervlakte van het hersenweefsel binnen zonder de oppervlakkige venules te doorboren. De micronaalden kunnen signalen van zenuwcellen in de cortex opnemen.

Het nieuwe systeem werd getest bij knaagdieren en het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

Het team werd geleid door elektrotechniekprofessor Shadi Dayeh aan de universiteit. Het bestond ook uit onderzoekers van de Boston University onder leiding van biomedische technologieprofessor Anna Devor.

Het systeem toonde een prestatie die gelijk was aan de bestaande gouden standaard voor BCI’s met doorborende naalden. Dit wordt de “Utah Array” genoemd en is aangetoond om te helpen bij personen met ruggengraatletsels en slachtoffers van een beroerte. Zij kunnen hun gedachten gebruiken om robotarmen en andere apparaten te controleren.

De flexibiliteit en aanpasbaarheid van het BCI helpen om een nauwere verbinding te maken tussen de hersenen en de elektroden, waardoor een betere en uniformere opname van de hersenactiviteitssignalen mogelijk wordt. De manier waarop het BCI is gebouwd, maakt het mogelijk om grotere sensorenoppervlakken te hebben, waardoor het een groter gebied van de hersenoppervlakte tegelijk kan bewaken.

In de experimenten kon de doorborende micronaaldarray, bestaande uit 1.024 micronaalden, succesvol signalen opnemen die werden geactiveerd door precieze stimuli van de hersenen van ratten. Dit betekent dat het tien keer het gebied van de hersenen dekt in vergelijking met de huidige technologie.

De zachte achterkant van de BCI’s zijn ook dunner en lichter dan de traditionele, die glazen achterkanten gebruiken. De nieuwe type achterkanten kan de irritatie van het hersenweefsel dat in contact komt met de array van sensoren verminderen.

De flexibele achterkanten zijn ook transparant, wat de onderzoekers zeggen dat het kan worden gebruikt om fundamenteel neuroscientifisch onderzoek te doen met diermodellen die anders onmogelijk zouden zijn.

Robotarmen Met Tactiele Feedback

De onderzoekers zeggen dat doorborende micronaaldarrays met een grote ruimtelijke dekking nodig zullen zijn om BCI’s in de toekomst te verbeteren en om ze te gebruiken in “gesloten-systeem”-systemen. Dit kan helpen bij personen met ernstig beperkte mobiliteit en kan tactiel feedback mogelijk maken voor iemand die een robotarm gebruikt.

Tactiele sensoren op de robotarm kunnen de textuur, hardheid en gewicht van een object waarnemen. Ze zouden informatie opnemen die kan worden omgezet in elektrische stimulatiepatronen die via draden buiten het lichaam naar het BCI gaan. De hersenen zouden informatie rechtstreeks ontvangen van deze elektrische signalen over het object, en de persoon kan dan zijn greep aanpassen op basis van de waargenomen informatie.

Het Dayeh-lab heeft al verschillende tactiele sensoren uitgevonden die voor deze toepassingen kunnen worden gebruikt.