Onderzoekers demonstreren flexibele herseninterfaces

Een nieuw project onder leiding van een team van onderzoekers heeft laten zien hoe een ultradunne, flexibele neurale interface in de hersenen geïmplanteerd kan worden. De interface bestaat uit duizenden elektroden en kan meer dan zes jaar meegaan.

De resultaten werden vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Science Translational Medicine. Het team van onderzoekers omvat Jonathan Viventi, een assistent-professor in de biomechanische techniek aan de Duke University; John Rogers, de Louis Simpson en Kimberly Querrey Professor in de materiaalwetenschap en -techniek, biomechanische techniek en neurochirurgie aan de Northwestern University; en Bijan Pesaran, een professor in de neurale wetenschap aan de NYU.

Uitdagingen rondom sensoren in de hersenen

Viventi sprak over de moeilijkheid om sensoren te laten werken in de hersenen.

“Proberen om deze sensoren te laten werken in de hersenen is als het gooien van je opvouwbare, flexibele smartphone in de oceaan en verwachten dat hij 70 jaar lang werkt”, zei Viventi. “Behalve dat we apparaten maken die veel dunner en veel flexibeler zijn dan de telefoons die momenteel op de markt zijn. Dat is de uitdaging.”

Er zijn veel moeilijke uitdagingen wanneer het gaat om het introduceren van vreemde objecten in de hersenen. Ze moeten in staat zijn om te bestaan in een corrosieve, zoute omgeving, en omringende weefsels en het immuunsysteem vallen het object aan.

De moeilijkheid neemt nog verder toe wanneer het gaat om elektrische apparaten. De meeste langdurig implanteerbare apparaten zijn hermetisch afgesloten met laser-geëxtrudeerde titanium behuizingen.

“Het bouwen van waterdichte, bulkbehuizingen voor dergelijke implantaten vertegenwoordigt een niveau van ingenieursuitdaging”, zei Rogers. “We melden hier de succesvolle ontwikkeling van materialen die vergelijkbare niveaus van isolatie bieden, maar met dunne, flexibele membranen die honderd keer dunner zijn dan een vel papier.”

Vanwege de lay-out van de menselijke hersenen zijn ruimte en flexibiliteit extreem belangrijk. De menselijke hersenen bestaan uit tientallen miljarden neuronen, maar bestaande neurale interfaces kunnen slechts ongeveer honderd sites bemonsteren. Deze specifieke uitdaging heeft het team van onderzoekers ertoe gebracht om nieuwe benaderingen te ontwikkelen.

“Je moet de elektronica naar de sensoren zelf verplaatsen en lokale intelligentie ontwikkelen die meerdere inkomende signalen kan verwerken”, zei Viventi. “Dit is hoe digitale camera’s werken. Je kunt tientallen miljoenen pixels hebben zonder tientallen miljoenen draden, omdat veel pixels dezelfde gegevenskanalen delen.”

De onderzoekers waren in staat om flexibele neurale apparaten te maken die 25 micrometer dik zijn, bestaande uit 360 elektroden.

“We hebben allerlei strategieën geprobeerd voordat we dit lukte”, zei Viventi. “Het afzetten van polymeren die zo dun zijn als vereist, resulteerde in defecten die ervoor zorgden dat ze faalden, en dikkere polymeren hadden niet de flexibiliteit die nodig was. Maar we hebben uiteindelijk een strategie gevonden die allemaal overleeft en hebben het nu laten werken in de hersenen.”

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

Laag van siliciumdioxide

Het artikel laat zien hoe een laag van siliciumdioxide van minder dan een micrometer dik, die thermisch is gegroeid, kan helpen om de omgeving binnen de hersenen te temmen. De snelheid van degradatie is 0,46 nanometer per dag, maar de kleine hoeveelheden kunnen in het lichaam oplossen zonder problemen te veroorzaken.

De onderzoekers hebben ook laten zien hoe de elektroden in het apparaat capaciteitsgevoeligheid kunnen gebruiken om neurale activiteit te detecteren.

De nieuwe ontwikkelingen zijn slechts een van de eerste stappen om deze technologie verder te ontwikkelen. Het team werkt nu aan het vergroten van het prototype van 1.000 elektroden tot meer dan 65.000.

“Een van onze doelen is om een nieuwe soort visueel prothese te creëren die rechtstreeks met de hersenen communiceert en die ten minste enige zichtcapaciteit kan herstellen voor mensen met beschadigde oogzenuwen”, zei Viventi. “Maar we kunnen deze soort apparaten ook gebruiken om andere soorten protheses te controleren of in een breed scala aan neuro wetenschappelijke onderzoeksprojecten.”