Hoe slim stof je hersenen kan bespioneren?

De realtime monitoring van de hersenfunctie is de afgelopen jaren met grote sprongen vooruitgegaan. Dat is grotendeels te danken aan verschillende nieuwe technologieën die het collectieve gedrag van groepen neuronen kunnen volgen, zoals functionele magnetische resonantiebeeldvorming, magneto-encefalopathie en positronemissietomografie.

Dit werk zorgt voor een revolutie in ons begrip van de manier waarop de hersenen zijn gestructureerd en zich gedragen. Het heeft ook geleid tot een nieuwe technische discipline van hersen-machine-interfaces, waarmee mensen machines kunnen besturen door alleen te denken.

Hoe indrukwekkend deze technieken ook zijn, ze hebben allemaal inherente beperkingen, zoals een beperkte ruimtelijke resolutie, een gebrek aan draagbaarheid en extreme invasiviteit.

Vandaag onthullen Dongjin Seo en vrienden van de University of California Berkeley een geheel nieuwe manier om de hersenen te bestuderen en ermee om te gaan. Hun idee is om elektronische sensoren ter grootte van stofdeeltjes in de cortex te strooien en ze op afstand te ondervragen met behulp van ultrageluid. De echografie drijft ook dit zogenaamde neurale stof aan.

Elk deeltje neuraal stof bestaat uit standaard CMOS-circuits en sensoren die de elektrische activiteit in nabijgelegen neuronen meten. Dit is gekoppeld aan een piëzo-elektrisch materiaal dat ultrahoogfrequente geluidsgolven omzet in elektrische signalen en vice versa.

Het neurale stof wordt ondervraagd door een ander onderdeel dat onder de weegschaal is geplaatst maar van buiten het lichaam wordt aangedreven. Dit genereert de echografie die het neurale stof aandrijft en sensoren die luisteren naar hun reactie, net als een RFID-systeem.

Het systeem is ook ongebonden: de gegevens worden verzameld en buiten het lichaam opgeslagen voor latere analyse.

Dat omzeilt veel van de beperkingen. Het systeem heeft een lager vermogen, kan een hoge ruimtelijke resolutie hebben en is gemakkelijk draagbaar. Het is ook robuust en kan mogelijk gedurende lange tijd een verbinding bieden. Een grote hindernis bij brain-machine interfaces (BMI) is het ontbreken van een implanteerbaar neuraal interfacesysteem dat een leven lang levensvatbaar blijft, zeggen Seo en co.

De moeilijkheid zit hem in het ontwerpen en bouwen van een dergelijk systeem en de paper van vandaag is een theoretische studie van deze uitdagingen. Ten eerste is er het probleem van het ontwerpen en bouwen van neurale stofdeeltjes op een schaal van ongeveer 100 micrometer die signalen kunnen verzenden en ontvangen in de ruwe, warme en lawaaierige omgeving in het lichaam.

Daarom hebben Seo en co gekozen voor echografie om gegevens te verzenden en te ontvangen. Ze berekenen dat het vermogen dat nodig is om elektromagnetische golven op de weegschaal te gebruiken, een schadelijke hoeveelheid warmte zou genereren vanwege de hoeveelheid energie die het lichaam absorbeert en de verontrustende signaal-ruisverhoudingen op deze schaal.

Ultrageluid is daarentegen veel efficiënter en zou de transmissie van minstens 10 miljoen keer meer vermogen mogelijk moeten maken dan elektromagnetische golven op dezelfde schaal.

Vervolgens is er het probleem van het koppelen van de elektronica aan het piëzo-elektrische systeem dat ultrageluid omzet in elektronische signalen en vice versa. Ervoor zorgen dat het systeem efficiënt werkt, zal lastig zijn, aangezien het moet worden verpakt in een inert polymeer of isolatorfilm (die de opname-elektroden ook moet blootstellen aan nabijgelegen neuronen).

Ten slotte is er de uitdaging om het ondervragingssysteem te ontwerpen en te bouwen dat de echografie genereert om de hele array van stroom te voorzien, maar met een vermogen dat laag genoeg is om verhitting van de schedel en de hersenen te voorkomen.

Daar komt nog eens de uitdaging bij om de neurale stofdeeltjes in de cortex te implanteren. Seo en co zeggen dat dit waarschijnlijk kan worden gedaan door de stofdeeltjes te fabriceren op de uiteinden van een dunne draadreeks, die op hun plaats wordt gehouden door bijvoorbeeld oppervlaktespanning. Deze array zou in de cortex worden gedompeld waar de stofdeeltjes worden ingebed.

Dat is een ambitieuze visie die bezaaid is met uitdagingen die verder gaan dan de state-of-the-art. Het team heeft echter een sterke achtergrond in nano-elektromechanische systemen en in de interface tussen elektronische systemen en cellen.

Inderdaad, een van de auteurs, Michel Maharbiz, ontwikkelde een paar jaar geleden 's werelds eerste op afstand bestuurbare kever, een ontwikkeling die door Technology Review werd uitgeroepen tot een van de top 10 opkomende technologieën van 2009.

Deze jongens zijn duidelijk niet bang om grote uitdagingen aan te gaan. Het zal interessant zijn om te zien hoe ze het doen.

Referentie: arxiv.org/abs/1307.2196 : Neurale stof: een ultrasone, energiezuinige oplossing voor chronische hersen-machine-interfaces

zich verstoppen