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 działać przez 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 nauk o materiałach, inżynierii biomedycznej i neurochirurgii na Northwestern University; oraz Bijana Pesara, profesora nauk o neuronach 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. “Tylko, że tworzymy urządzenia, które są znacznie cieńsze i bardziej elastyczne niż telefony obecnie na rynku. To jest wyzwanie.”

Istnieje wiele trudnych wyzwań, gdy chodzi o wprowadzanie obcych obiektów do mózgu. Muszą one być w stanie istnieć w korozyjnym, słonym środowisku, a otaczające tkanki i układ immunologiczny atakują obiekt.

Trudność jest jeszcze większa, gdy mówimy o urządzeniach elektrycznych. Większość długoterminowych implantowalnych urządzeń jest hermetycznie zamknięta laserowo spawanymi obudowami z tytanu.

“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 neuronowe mogą tylko próbkować około stu miejsc. To wyzwanie doprowadziło zespół naukowców do rozwoju nowych podejść.

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

Naukowcy byli w stanie stworzyć elastyczne urządzenia neuronowe, które są 25 mikrometrów grubości, składające się z 360 elektrod.

“Próbowałem wielu strategii wcześniej. Nanoszenie polimerów tak cienkich, jak jest 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 mniejsza niż mikrometr, która jest termicznie wyhodowana, może pomóc ujarzmić środowisko wewnątrz mózgu. Szybkość degradacji wynosi 0,46 nanometrów na dzień, ale małe ilości mogą rozpuścić się w organizmie bez powodowania problemów.

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

Nowe rozwiązania są tylko jednym z początkowych kroków do dalszego rozwoju tej technologii. Zespół pracuje obecnie nad zwiększeniem prototypu z 1000 elektrod do ponad 65 000.

“Jednym z naszych celów jest stworzenie nowego typu protezy wzrokowej, która wchodzi w interakcję bezpośrednio z mózgiem, co może przywrócić co najmniej częściową zdolność widzenia dla ludzi z uszkodzonymi nerwami wzrokowymi”, powiedział Viventi. “Ale możemy również użyć tego typu urządzeń do kontrolowania innych typów protez lub w szerokim zakresie projektów badawczych w dziedzinie neurologii.”