Forskere demonstrerer fleksible hjernegrensesnitt

Et nytt prosjekt ledet av et team av forskere har demonstrert hvordan et ultratynne, fleksible neurale grensesnitt kan implateres i hjernen. Grensesnittet består av tusenvis av elektroder og kan vare i over seks år. 

Resultatene ble publisert forrige måned i tidsskriftet Science Translational Medicine. Teamet av forskere inkluderer Jonathan Viventi, en assistant professor i biomedisinsk ingeniørkunst ved Duke University; John Rogers, Louis Simpson og Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering og Neurological Surgery ved Northwestern University; og Bijan Pesaran, en professor i neuralvitenskap ved NYU. 

Utlendingsobjekter i hjernen

Viventi snakket om vanskelighetene med å få sensorer til å fungere i hjernen. 

“Å prøve å få disse sensorene til å fungere i hjernen er som å kaste din brettbare, fleksible smartphone i havet og forvente at den skal fungere i 70 år,” sa Viventi. “Bortsett fra at vi lager enheter som er mye tynnere og mye mer fleksible enn telefonene som er på markedet nå. Det er utfordringen.”

Det er mange vanskelige utfordringer når det kommer til å innføre fremmede objekter i hjernen. De må kunne eksistere i en korrosiv, salt miljø, og omgivende vev og immunsystemet angriper objektet. 

Vanskeligheten øker enda mer når man snakker om elektriske enheter. De fleste langtidsimplanterbare enheter er hermetisk lukket med laser-sveiste titanbeholdere. 

“Å bygge vanntette, massive beholdere for slike typer implanter representerer en type ingeniørutfordring,” sa Rogers. “Vi rapporterer her om den vellykkede utviklingen av materialer som gir lignende nivåer av isolasjon, men med tynne, fleksible membraner som er hundre ganger tynnere enn et ark papir.”

På grunn av layouten til det menneskelige hjernen, er plass og fleksibilitet ekstremt viktig. Det menneskelige hjernen består av titall millioner neuroner, men eksisterende neurale grensesnitt kan bare prøve rundt hundre steder. Denne spesifikke utfordringen har ført teamet av forskere til å utvikle nye tilnærminger. 

“Du må flytte elektronikk til sensorene selv og utvikle lokal intelligens som kan håndtere flere innkommende signaler,” sa Viventi. “Dette er hvordan digitale kameraer fungerer. Du kan ha titall millioner piksler uten titall millioner kabler fordi mange piksler deler de samme datakanalene.”

Forskerne var i stand til å komme opp med fleksible neurale enheter som er 25 mikrometer tykke, bestående av 360 elektroder. 

“Vi prøvde en rekke strategier før. Å deponere polymerer så tynne som det er nødvendig resulterte i feil som gjorde at de feilet, og tykkere polymerer hadde ikke den fleksibiliteten som var nødvendig,” sa Viventi. “Men vi fant til slutt en strategi som overlever alle og har nå gjort det fungere i hjernen.”

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

Lag av silisiumdioksid

Artikkelen demonstrerer hvordan et lag av silisiumdioksid mindre enn en mikrometer tykt, som er termisk vokst, kan hjelpe med å temme miljøet innenfor hjernen. Forfallsraten er 0,46 nanometer per dag, men de små mengdene kan løse seg i kroppen uten å skape noen problemer. 

Forskerne demonstrerte også hvordan elektrodene i enheten kan bruke kapaktiv måling til å detektere neural aktivitet. 

De nye utviklingene er bare ett av de første stegene til å fremme denne teknologien. Teamet arbeider nå med å øke prototypen fra 1 000 elektroder til over 65 000. 

“En av våre mål er å skape en ny type visuell protese som samhandler direkte med hjernen som kan gjenopprette minst noen synskapacitet for mennesker med skadde optiske nerver,” sa Viventi. “Men vi kan også bruke disse typene enheter til å kontrollere andre typer proteser eller i en rekke nevrovitenskapelige forskningsprosjekter.”