211service.com
Herseninterfaces gemaakt van zijde
Artsen kunnen reeksen elektroden op het oppervlak van de hersenen plaatsen om de bron van epileptische aanvallen te lokaliseren; patiënten kunnen dergelijke elektroden gebruiken om een computercursor te besturen. Maar het is nog steeds niet veilig om deze apparaten op de lange termijn in de hersenen te laten, en dat is een kwaliteit die moet worden ontwikkeld voordat onderzoekers betere hersen-computerinterfaces kunnen ontwikkelen.
Zijde op de hersenen: Dunne, flexibele elektroden die bovenop een biologisch afbreekbaar zijden substraat zijn gemonteerd, zouden een betere hersen-machine-interface kunnen bieden. Het apparaat wikkelt zich rond de spleten in het oppervlak van de hersenen, zoals weergegeven op dit model.
Nu bouwt een groep onderzoekers biocompatibele elektronica op dunne, flexibele substraten. De groep hoopt neurale interfaces te maken die metingen met een hogere resolutie uitvoeren dan wat momenteel beschikbaar is zonder hersenweefsel te irriteren of te beschadigen.
Biocompatibiliteit is een grote uitdaging voor nieuwe generaties medische implantaten, zegt Brian Litt , hoogleraar neurologie en bio-engineering aan de University of Pennsylvania Medical School. We wilden apparaten maken die ultradun zijn en via kleine gaatjes in de schedel in de hersenen kunnen worden ingebracht, en gemaakt van materialen die biocompatibel zijn, zegt hij. Litt werkt samen met onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die hoogwaardige flexibele elektronica bouwen van silicium en andere conventionele materialen op substraten van biologisch afbreekbare, mechanisch sterke zijdefilms die zijn geleverd door onderzoekers van Tufts University.
Deze week in het journaal Natuurmaterialen , meldt het team dat ze een zijden elektrode-apparaat gebruiken om elektrische activiteit van het oppervlak van de hersenen bij katten te meten. Zijde is mechanisch sterk - dat betekent dat de films kunnen worden opgerold en door een klein gaatje in de schedel kunnen worden gestoken - maar kunnen na verloop van tijd oplossen in onschadelijke biomoleculen. Wanneer het op hersenweefsel wordt geplaatst en bevochtigd met zoutoplossing, zal een zijden film krimpen rond het oppervlak van de hersenen, waardoor elektroden in de rimpels van het weefsel komen. Conventionele oppervlakte-elektrode-arrays kunnen deze spleten, die een groot deel van het hersenoppervlak uitmaken, niet bereiken.
Een apparaat als dit zou nieuwe wegen openen in alle neurowetenschappen en klinische toepassingen, zegt Gerwin Schalk , een onderzoeker aan het Wadsworth Center in Albany, NY, die niet is aangesloten bij de zijde-elektrodegroep. Wat ik voorzie is het plaatsen van een op zijde gebaseerd apparaat rondom de hersenen en het krijgen van een continu beeld van de hersenfunctie gedurende weken, maanden of jaren, met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie.
Het voordeel van oppervlakte-elektroden ten opzichte van geïmplanteerde is dat ze geen littekens veroorzaken, zegt Andrew Schwartz , hoogleraar neurobiologie aan de Universiteit van Pittsburgh. In 2008 toonde Schwartz aan dat een aap met een elektrode in zijn hersenen een prothetische arm kan besturen om zichzelf te voeden. Dit ontwerp is nog beter omdat het relatief klein is en flexibel is - het zou deze implantaten minder traumatisch kunnen maken, zegt hij. Wat echt leuk zou zijn, is als je het signaal zou kunnen versterken in de buurt van waar je het oppikt om ruis te verminderen, en het signaal te multiplexen om het aantal benodigde draden te verminderen, zegt Schwartz.
De zijde-elektronica-onderzoekers zeggen dat dit hun volgende stap is, en een van de belangrijkste beloften van de technologie. Ze hebben al dunne, flexibele siliciumtransistorarrays gebouwd op zijde gedemonstreerd en getest op dieren - alleen nog niet in de hersenen. Schwartz zegt dat andere groepen het belang van multiplexing en signaalversterking hebben erkend, maar hebben gewerkt met stijve printplaten die niet zo biocompatibel zijn. Door deze actieve componenten toe te voegen, zou het aantal draden dat nodig is in deze implantaten, die tegenwoordig één draad per sensor nodig hebben, verminderen. En actieve apparaten kunnen reageren op hersenactiviteit om elektrische stimuli te geven of medicijnen af te geven. (Een van de medewerkers van het zijdeproject, David Kaplan aan de Tufts University, heeft aangetoond dat apparaten van zijde die in de hersenen van kleine dieren zijn geïmplanteerd, medicijnen tegen epilepsie kunnen afgeven.)
Het toevoegen van transistors aan de elektronica is momenteel een ontwerpuitdaging, zegt John Rogers, hoogleraar materiaalkunde en engineering aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Het elektrode-array-ontwerp waarvan zijn groep vond dat het het meest compatibel is met hersenweefsel, is een mesh-massieve vellen die zich niet zo effectief om hersenweefsel wikkelen. En het toevoegen van siliciumtransistors aan de mesh is moeilijker dan op een solide ondergrond. Toch, zegt Rogers, zijn alle belangrijke onderdelen op hun plaats en moeten ze alleen nog worden geïntegreerd. Met verdere ontwikkeling en testen om te bewijzen dat de apparaten veilig zijn, hopen we, zegt Rogers, dat dit de basis zal vormen voor nieuwe hersen-machine-interfaces van hogere kwaliteit.