Naukowcy Demonstrują Elastyczne Interfejsy Mózgu

Nowy projekt pod przewodnictwem zespołu naukowców wykazał, jak ultracienki, elastyczny interfejs neuronalny może być wszczepiony do mózgu. Interfejs składa się z tysięcy elektrod i może przetrwać ponad sześć lat. 

Wyniki zostały opublikowane w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Science Translational Medicine. Zespół naukowców obejmuje Jonathana Viventiego, asystenta profesora inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Duke; Johna Rogersa, profesora Louisa Simpsona i Kimberly Querrey z zakresu nauki o materiałach i inżynierii biomedycznej oraz neurochirurgii na Northwestern University; oraz Bijana Pesaran, profesora nauk neuronalnych na NYU. 

Wyzwania Związane z Czujnikami w Mózgu

Viventi mówił o trudnościach związanych z uzyskaniem pracy czujników w mózgu. 

“Próba uzyskania pracy tych czujników w mózgu jest jak wrzucenie Twojego składanego, elastycznego smartfona do oceanu i oczekiwanie, że będzie działał przez 70 lat”, powiedział Viventi. “Z wyjątkiem tego, że tworzymy urządzenia, które są o wiele cieńsze i bardziej elastyczne niż telefony dostępne na rynku. To jest wyzwanie.”

Istnieje wiele trudnych wyzwań związanych z wprowadzaniem obiektów obcych do mózgu. Muszą one być w stanie istnieć w korozyjnym, słonym środowisku, a tkanki i układ odpornościowy atakują obiekt. 

Trudność jest jeszcze większa, gdy mówimy o urządzeniach elektrycznych. Większość implantowalnych urządzeń długoterminowych jest hermetycznie uszczelnionych za pomocą laserowo zgrzewanych obudów tytanowych. 

“Budowanie wodoszczelnych, grubych obudów dla tego typu implantów reprezentuje jeden poziom wyzwania inżynierskiego”, powiedział Rogers. “Donosimy tutaj o udanym rozwoju materiałów, które zapewniają podobne poziomy izolacji, ale z cienkimi, elastycznymi membranami, które są sto razy cieńsze niż arkusz papieru.”

Ze względu na układ ludzkiego mózgu, przestrzeń i elastyczność są niezwykle ważne. Ludzki mózg składa się z dziesiątek miliardów neuronów, ale istniejące interfejsy neuronalne mogą tylko pobierać próbki z około stu miejsc. To konkretnego wyzwanie doprowadziło zespół naukowców do opracowania nowych podejść. 

“Musisz przenieść elektronikę do samych czujników i opracować lokalną inteligencję, która może obsłużyć wiele sygnałów przychodzących”, powiedział Viventi. “To jest sposób, w jaki działają aparaty cyfrowe. Możesz mieć dziesiątki milionów pikseli bez dziesiątków milionów przewodów, ponieważ wiele pikseli dzieli te same kanały danych.”

Naukowcy byli w stanie opracować elastyczne urządzenia neuronalne, które są 25 mikrometrów grube, składające się z 360 elektrod. 

“Próbowaliśmy mnóstwa strategii wcześniej. Nanoszenie polimerów tak cienkich, jak to wymagane, skutkowało wadami, które powodowały ich awarie, a grubsze polimery nie miały elastyczności, która była wymagana”, powiedział Viventi. “Ale w końcu znaleźliśmy strategię, która przetrwała wszystkie i teraz sprawdziła się w mózgu.”

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

Warstwa Dwutlenku Krzemu

Artykuł pokazuje, jak warstwa dwutlenku krzemu o grubości mniejszej niż jeden mikrometr, która jest termicznie wyhodowana, może pomóc ujarzmić środowisko wewnątrz mózgu. Szybkość degradacji wynosi 0,46 nanometrów na dzień, ale niewielkie ilości mogą rozpuścić się w organizmie bez powodowania problemów. 

Naukowcy również wykazali, jak elektrody w urządzeniu mogą używać czujników pojemnościowych do wykrywania aktywności neuronalnej. 

Nowe rozwiązania są jednym z początkowych kroków do dalszego rozwoju tej technologii. Zespół obecnie pracuje nad zwiększeniem prototypu z 1 000 elektrod do ponad 65 000. 

“Jednym z naszych celów jest stworzenie nowego typu protezy wzrokowej, która wchodzi w interakcję bezpośrednio z mózgiem i może przywrócić co najmniej część zdolności wzrokowych dla osób z uszkodzonymi nerwami wzrokowymi”, powiedział Viventi. “Ale możemy również używać tych typów urządzeń do kontrolowania innych typów protez lub w szerokim zakresie projektów badawczych z dziedziny neurobiologii.”