Forskere demonstrerer fleksible hjernegrensesnitt

Et nytt prosjekt ledet av et team av forskere har demonstrert hvordan et ultratynne, fleksibelt nevralt grensesnitt kan implantes 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 assistentprofessor i biomedisinsk ingeniørkunst ved Duke University; John Rogers, Louis Simpson og Kimberly Querrey Professor i materialegenskaper og ingeniørkunst, biomedisinsk ingeniørkunst og nevrokirurgi ved Northwestern University; og Bijan Pesaran, en professor i nevrovitenskap ved NYU.

Utfordringer omkring sensorer 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 foldable, fleksible smartphone i havet og forvente at den skal fungere i 70 år,” sa Viventi. “Unntak er 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 være i stand til å 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 langtidsimplantable enheter er hermetisk lukket med laser-sveisede titanbeholdere.

“Å bygge vann-tette, bulke-inneslutninger for slike typer implantater representerer en type ingeniør-utfordring,” sa Rogers. “Vi rapporterer her om den vellykkede utviklingen av materialer som gir lignende nivåer av isolasjon, men med tynne, fleksible membraner som er en hundred ganger tynnere enn et ark papir.”

På grunn av layouten av det menneskelige hjernen, er plass og fleksibilitet ekstremt viktig. Det menneskelige hjernen består av titalls milliarder nevroner, men eksisterende nevralt 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 multiple innkommende signaler,” sa Viventi. “Dette er hvordan digitale kameraer fungerer. Du kan ha titalls millioner piksler uten titalls millioner kabler fordi mange piksler deler de samme data-kanalene.”

Forskerne var i stand til å komme opp med fleksible nevralt 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 førte til at de feilet, og tykkere polymerer hadde ikke den fleksibiliteten som var nødvendig,” sa Viventi. “Men vi fant til slutt en strategi som overlever dem 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 å temme miljøet inni 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 kapasitiv sanntid til å detektere nevralt 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.”