Rejestrowanie aktywności dużych populacji pojedynczych neuronów w mózgu przez długie okresy czasu ma kluczowe znaczenie dla pogłębienia wiedzy o obwodach neuronowych, umożliwienia opracowania nowatorskich terapii opartych na urządzeniach medycznych, a w przyszłości interfejsów mózg-komputer wymagających wysokiej rozdzielczości informacje elektrofizjologiczne.
Jednak obecnie istnieje kompromis pomiędzy ilością informacji o wysokiej rozdzielczości, jakie może zmierzyć wszczepione urządzenie, a czasem, w jakim może ono utrzymywać parametry rejestrowania lub stymulacji. Sztywne, silikonowe implanty z wieloma czujnikami mogą zebrać wiele informacji, ale nie mogą pozostać w organizmie zbyt długo. Elastyczne, mniejsze urządzenia są mniej inwazyjne i mogą dłużej działać w mózgu, ale dostarczają tylko ułamek dostępnej informacji neuronowej.
Niedawno interdyscyplinarny zespół naukowców z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), we współpracy z Uniwersytetem Teksasu w Austin, MIT i Axoft, Inc., opracował miękkie wszczepialne urządzenie z dziesiątkami czujników które mogą rejestrować aktywność pojedynczego neuronu w mózgu stabilnie przez miesiące.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Nanotechnology.
„Opracowaliśmy interfejsy mózg-elektronika o rozdzielczości pojedynczej komórki, które są bardziej zgodne biologicznie niż tradycyjne materiały” – powiedział Paul Le Floch, pierwszy autor artykułu i były absolwent w laboratorium Jia Liu, adiunkt bioinżynierii w SEAS . „Ta praca może zrewolucjonizować projektowanie bioelektroniki do rejestracji i stymulacji neuronowej oraz interfejsów mózg-komputer”.
Le Floch jest obecnie dyrektorem generalnym Axoft, Inc, firmy założonej w 2021 roku przez Le Flocha, Liu i Tianyang Ye, byłego studenta i stażystę podoktorskiego w Park Group na Harvardzie. Biuro ds. Rozwoju Technologii Harvardu chroniło własność intelektualną związaną z tymi badaniami i udzieliło firmie Axoft licencji na dalszy rozwój technologii.
Aby przezwyciężyć kompromis między szybkością transmisji danych w wysokiej rozdzielczości a trwałością, badacze sięgnęli po grupę materiałów zwanych fluorowanymi elastomerami. Materiały fluorowane, takie jak teflon, są sprężyste, stabilne w płynach biologicznych, mają doskonałe długoterminowe właściwości dielektryczne i są kompatybilne ze standardowymi technikami mikrofabrykacji.
Naukowcy połączyli fluorowane elastomery dielektryczne ze stosami miękkich mikroelektrod – w sumie 64 czujniki – aby opracować długotrwałą sondę, która jest 10 000 razy bardziej miękka niż konwencjonalne elastyczne sondy wykonane z tworzyw sztucznych służących do inżynierii materiałowej, takich jak poliimid lub parylen C.
Zespół zademonstrował urządzenie in vivo, rejestrując informacje neuronowe z mózgu i rdzenia kręgowego myszy w ciągu kilku miesięcy.
„Nasze badania podkreślają, że dzięki starannemu projektowaniu różnych czynników możliwe jest zaprojektowanie nowatorskich elastomerów dla długoterminowo stabilnych interfejsów neuronowych” – powiedział Liu, który jest autorem korespondencyjnym artykułu. „To badanie mogłoby poszerzyć zakres możliwości projektowania interfejsów neuronowych”.
W interdyscyplinarnym zespole badawczym znaleźli się także profesorowie SEAS Katia Bertoldi, Boris Kozinsky i Zhigang Suo.
„Projektowanie nowych sond i interfejsów neuronowych to problem bardzo interdyscyplinarny, wymagający wiedzy specjalistycznej z biologii, elektrotechniki, inżynierii materiałowej, inżynierii mechanicznej i chemicznej” – powiedział Le Floch.
Współautorami badania są Siyuan Zhao, Ren Liu, Nicola Molinari, Eder Medina, Hao Shen, Zheliang Wang, Junsoo Kim, Hao Sheng, Sebastian Partarrieu, Wenbo Wang, Chanan Sessler, Guogao Zhang, Hyunsu Park, Xian Gong, Andrew Spencer, Jongha Lee, Tianyang Ye, Xin Tang, Xiao Wang i Nanshu Lu.
Prace były wspierane przez National Science Foundation w ramach grantu nr DMR-2011754 z Centrum Badań nad Materiałami Uniwersytetu Harvarda.