Onderzoekers van Stanford University hebben een nieuw apparaat ontwikkeld om de hersenen rechtstreeks te verbinden met op silicium gebaseerde technologieën. Hoewel brain-machine interface-apparaten al bestaan ​​- en worden gebruikt voor protheses, ziektebehandeling en hersenonderzoek - dit nieuwste apparaat kan meer gegevens registreren en is minder opdringerig dan bestaande opties.

"Niemand heeft deze 2D-siliciumelektronica eerder gebruikt en afgestemd op de driedimensionale architectuur van de hersenen, " zei Abdulmalik Obaid, een afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek aan Stanford. "We moesten weggooien wat we al weten over conventionele chipfabricage en nieuwe processen ontwerpen om siliciumelektronica naar de derde dimensie te brengen. En we moesten het doen op een manier die gemakkelijk kon opschalen."

Het apparaat, het onderwerp van een paper gepubliceerd op 20 maart in wetenschappelijke vooruitgang , bevat een bundel microdraden, met elke draad minder dan de helft van de breedte van het dunste mensenhaar. Deze dunne draden kunnen voorzichtig in de hersenen worden gestoken en aan de buitenkant rechtstreeks worden aangesloten op een siliciumchip die de elektrische hersensignalen registreert die langs elke draad gaan - alsof ze een film maken van neurale elektrische activiteit. De huidige versies van het apparaat bevatten honderden microdraden, maar toekomstige versies kunnen er duizenden bevatten.

"Elektrische activiteit is een van de manieren met de hoogste resolutie om naar hersenactiviteit te kijken, " zei Nick Melosh, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Stanford en co-senior auteur van het artikel. "Met deze microdraadarray, we kunnen zien wat er gebeurt op het niveau van één neuron."

De onderzoekers testten hun hersen-machine-interface op geïsoleerde netvliescellen van ratten en in de hersenen van levende muizen. In beide gevallen, ze hebben met succes betekenisvolle signalen verkregen via de honderden kanalen van de array. Lopend onderzoek zal verder bepalen hoe lang het apparaat in de hersenen kan blijven en wat deze signalen kunnen onthullen. Het team is vooral geïnteresseerd in wat de signalen hen kunnen vertellen over leren. Ook werken de onderzoekers aan toepassingen in protheses, met name spraakondersteuning.

Het wachten waard

Dat wisten de onderzoekers, om hun doelen te bereiken, ze moesten een brein-machine-interface maken die niet alleen lang meegaat, maar ook in staat om een ​​nauwe verbinding met de hersenen tot stand te brengen en tegelijkertijd minimale schade aan te richten. Ze richtten zich op het verbinden met op silicium gebaseerde apparaten om te profiteren van de vooruitgang in die technologieën.

"Siliciumchips zijn zo krachtig en hebben een ongelooflijk vermogen om op te schalen, "zei Melosh. "Onze serie koppelt heel eenvoudig met die technologie. Je kunt eigenlijk gewoon de chip nemen, druk het op het blootgestelde uiteinde van de bundel en ontvang de signalen."

Een belangrijke uitdaging die de onderzoekers aangingen, was uitzoeken hoe de array moest worden gestructureerd. Het moest sterk en duurzaam zijn, ook al zijn de belangrijkste componenten honderden minuscule draden. De oplossing was om elke draad in een biologisch veilig polymeer te wikkelen en ze vervolgens samen te bundelen in een metalen kraag. Dit zorgt ervoor dat de draden op afstand van elkaar liggen en correct zijn georiënteerd. Onder de kraag, het polymeer wordt verwijderd zodat de draden individueel in de hersenen kunnen worden geleid.

Bestaande brain-machine interface-apparaten zijn beperkt tot ongeveer 100 draden die 100 signaalkanalen bieden, en elk moet zorgvuldig met de hand in de array worden geplaatst. De onderzoekers hebben jaren besteed aan het verfijnen van hun ontwerp- en fabricagetechnieken om een ​​array met duizenden kanalen te kunnen creëren - hun inspanningen werden ondersteund, gedeeltelijk, door een Wu Tsai Neurosciences Institute Big Ideas-beurs.

"Het ontwerp van dit apparaat is compleet anders dan dat van bestaande high-density opnameapparaten, en de vorm, grootte en dichtheid van de array kan eenvoudig worden gevarieerd tijdens fabricage. Dit betekent dat we met vrijwel elke 3D-opstelling tegelijkertijd verschillende hersengebieden op verschillende diepten kunnen vastleggen, " zei Jun Ding, universitair docent neurochirurgie en neurologie, en co-auteur van het artikel. "Als het breed wordt toegepast, deze technologie zal ons begrip van de hersenfunctie in gezondheids- en ziektetoestanden enorm overtreffen."

Na jarenlang dit ambitieuze maar elegante idee te hebben nagestreefd, pas aan het einde van het proces hadden ze een apparaat dat in levend weefsel kon worden getest.

"We moesten kilometers microdraden nemen en grootschalige arrays produceren, sluit ze vervolgens rechtstreeks aan op siliciumchips, " zei Obaid, wie is de hoofdauteur van het artikel. "Na jaren aan dat ontwerp te hebben gewerkt, we hebben het voor het eerst op het netvlies getest en het werkte meteen. Het was enorm geruststellend."

Na hun eerste tests op het netvlies en bij muizen, de onderzoekers voeren nu dierstudies op langere termijn uit om de duurzaamheid van de array en de prestaties van grootschalige versies te controleren. Ze onderzoeken ook wat voor soort gegevens hun apparaat kan rapporteren. De resultaten tot nu toe wijzen erop dat ze leren en falen kunnen zien terwijl ze in de hersenen plaatsvinden. De onderzoekers zijn optimistisch over de mogelijkheid om de array ooit te gebruiken om medische technologieën voor mensen te verbeteren, zoals mechanische protheses en apparaten die helpen bij het herstellen van spraak en zicht.