Forskare demonstrerar flexibla hjärngränssnitt

Ett nytt projekt lett av ett team av forskare har visat hur ett ultratunt, flexibelt neuralt gränssnitt kan implanteras i hjärnan. Gränssnittet består av tusentals elektroder och kan fungera i över sex år. 

Resultaten publicerades förra månaden i tidskriften Science Translational Medicine. Teamet av forskare inkluderar Jonathan Viventi, biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Duke University; John Rogers, Louis Simpson och Kimberly Querrey-professor i materialvetenskap, biomedicinsk teknik och neurokirurgi vid Northwestern University; och Bijan Pesaran, professor i neuralvetenskap vid NYU. 

Utmaningar kring sensorer i hjärnan

Viventi talade om svårigheten att få sensorer att fungera i hjärnan. 

“Att försöka få dessa sensorer att fungera i hjärnan är som att kasta din veckbara, flexibla smartphone i havet och förvänta sig att den ska fungera i 70 år”, sa Viventi. “Förutom att vi skapar enheter som är mycket tunnare och mycket mer flexibla än de telefoner som för närvarande finns på marknaden. Det är utmaningen.”

Det finns många svåra utmaningar när det gäller att införa främmande föremål i hjärnan. De måste kunna existera i en korrosiv, salt miljö, och omgivande vävnader och immunsystemet attackerar föremålet. 

Svårigheten ökar ännu mer när man talar om elektriska enheter. De flesta långsiktiga implantat är hermetiskt förseglade med laser-svetsade titanfodral. 

“Att bygga vattentäta, massiva inkapslingar för sådana typer av implantat representerar en nivå av ingenjörsutmaning”, sa Rogers. “Vi rapporterar här om den lyckade utvecklingen av material som ger liknande nivåer av isolering, men med tunna, flexibla membran som är hundra gånger tunnare än ett ark papper.”

På grund av layouten av den mänskliga hjärnan är utrymme och flexibilitet extremt viktiga. Den mänskliga hjärnan består av tiotals miljarder neuroner, men befintliga neurala gränssnitt kan bara samppla runt hundra platser. Denna specifika utmaning har lett teamet av forskare att utveckla nya tillvägagångssätt. 

“Du måste flytta elektronik till sensorerna själva och utveckla lokal intelligens som kan hantera flera inkommande signaler”, sa Viventi. “Det är så digitala kameror fungerar. Du kan ha tiotals miljoner pixlar utan tiotals miljoner kablar eftersom många pixlar delar samma datakanaler.”

Forskarna kunde komma på flexibla neurala enheter som är 25 mikrometer tjocka, bestående av 360 elektroder. 

“Vi försökte en massa strategier tidigare. Att deponera polymerer så tunna som krävs resulterade i defekter som orsakade dem att misslyckas, och tjockare polymerer hade inte den flexibilitet som krävdes”, sa Viventi. “Men vi hittade till slut en strategi som överlever alla och har nu gjort det fungera i hjärnan.”

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

Lager av kiseldioxid

Papperet visar hur ett lager av kiseldioxid som är mindre än en mikrometer tjockt, som är termiskt framodlat, kan hjälpa till att tämja miljön inom hjärnan. Degradationshastigheten är 0,46 nanometer per dag, men de små mängderna kan lösas upp i kroppen utan att skapa några problem. 

Forskarna visade också hur elektroderna inom enheten kan använda kapacitiv känslighet för att upptäcka neural aktivitet. 

De nya utvecklingarna är bara ett av de första stegen till att ytterligare utveckla denna teknik. Teamet arbetar nu med att öka antalet elektroder från 1 000 till över 65 000. 

“En av våra mål är att skapa en ny typ av visuell protes som interagerar direkt med hjärnan som kan återställa åtminstone någon synförmåga för personer med skadade optiska nerver”, sa Viventi. “Men vi kan också använda dessa typer av enheter för att kontrollera andra typer av proteser eller i en mängd olika neurovetenskapliga forskningsprojekt.”