211service.com
Hjernegrænseflader lavet af silke
Læger kan placere rækker af elektroder på overfladen af hjernen for at lokalisere kilden til epileptiske anfald; patienter kan bruge sådanne elektroder til at styre en computermarkør. Men det er stadig ikke sikkert at efterlade disse enheder i hjernen på lang sigt, og det er en kvalitet, der skal udvikles, før forskere kan udvikle bedre hjerne-computer-grænseflader.
Silke på hjernen: Tynde, fleksible elektroder monteret oven på et biologisk nedbrydeligt silkesubstrat kunne give en bedre hjerne-maskine-grænseflade. Enheden vikler sig rundt om sprækkerne i hjernens overflade, som vist på denne model.
Nu bygger en gruppe forskere biokompatibel elektronik på tynde, fleksible underlag. Gruppen håber at skabe neurale grænseflader, der tager målinger i højere opløsning end hvad der er tilgængeligt i dag uden at irritere eller danne ar i hjernevæv.
Biokompatibilitet er en stor udfordring for nye generationer af medicinske implantater, siger Brian Litt , professor i neurologi og bioteknik ved University of Pennsylvania Medical School. Vi ville lave enheder, der er ultratynde og kan sættes ind i hjernen gennem små huller i kraniet, og være lavet af materialer, der er biokompatible, siger han. Litt arbejder sammen med forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som bygger højtydende fleksibel elektronik fra silicium og andre konventionelle materialer på substrater af biologisk nedbrydelige, mekanisk stærke silkefilm leveret af forskere ved Tufts University.
Denne uge i journalen Naturmaterialer , rapporterer holdet at bruge en silkeelektrodeanordning til at måle elektrisk aktivitet fra hjernens overflade hos katte. Silke er mekanisk stærkt - det betyder, at filmene kan rulles op og indsættes gennem et lille hul i kraniet - men alligevel kan opløses til uskadelige biomolekyler over tid. Når den placeres på hjernevæv og fugtes med saltvand, vil en silkefilm krympe-vikle rundt om hjernens overflade og bringe elektroder med sig ind i vævets rynker. Konventionelle overfladeelektrodearrays kan ikke nå disse sprækker, som udgør en stor del af hjernens overfladeareal.
En enhed som denne ville fuldstændig åbne nye veje inden for alle neurovidenskabelige og kliniske anvendelser, siger Gerwin Schalk , en forsker ved Wadsworth Center i Albany, NY, som ikke er tilknyttet silkeelektrodegruppen. Det, jeg forudser, er at placere en silkebaseret enhed rundt om i hjernen og få et kontinuerligt billede af hjernens funktion i uger, måneder eller år i høj rumlig og tidsmæssig opløsning.
Fordelen ved overfladeelektroder frem for implanterede er, at de ikke forårsager ardannelse, siger Andrew Schwartz , professor i neurobiologi ved University of Pittsburgh. I 2008 demonstrerede Schwartz, at en abe med en elektrode i hjernen kan kontrollere en armprotese for at brødføde sig selv. Dette design er endnu bedre, fordi det har en relativt lille funktionsstørrelse og er fleksibelt - det kan gøre disse implantater mindre traumatiske, siger han. Det, der virkelig ville være rart, er, hvis du kunne forstærke signalet i nærheden af, hvor du opfanger det, for at reducere støj, og multiplekse signalet for at skære ned på antallet af nødvendige ledninger, siger Schwartz.
Silkeelektronikforskerne siger, at dette er deres næste skridt og et af teknologiens største løfter. De har allerede demonstreret tynde, fleksible siliciumtransistor-arrays bygget på silke og testet dem på dyr - bare ikke i hjernen endnu. Schwartz siger, at andre grupper har erkendt vigtigheden af multipleksing og signalforstærkning, men har arbejdet med stive printkort, der ikke er så biokompatible. Tilføjelse af disse aktive komponenter ville reducere antallet af nødvendige ledninger i disse implantater, som i dag kræver en ledning pr. sensor. Og aktive enheder kunne reagere på hjerneaktivitet for at give elektriske stimuli eller frigive stoffer. (En af samarbejdspartnerne på silkeprojektet, David Kaplan ved Tufts University, har vist, at silkeanordninger implanteret i hjernen hos små dyr kan levere anti-epileptiske lægemidler.)
At tilføje transistorer til elektronikken er i øjeblikket en designudfordring, siger John Rogers, professor i materialevidenskab og teknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Elektrode-array-designet, som hans gruppe fandt for at være mest kompatibelt med hjernevæv, er et mesh-faste ark, der ikke vikler sig så effektivt rundt om hjernevæv. Og at tilføje siliciumtransistorer til nettet er sværere end at gøre det på et solidt underlag. Alligevel, siger Rogers, er alle de store brikker på plads og skal bare integreres. Med yderligere udvikling og test for at bevise, at enhederne er sikre, siger Rogers, håber vi, at dette vil være grundlaget for nye hjerne-maskine-grænseflader af højere kvalitet.