(Phys.org)—Neuroprothesen, neurale sondes en andere intraneurale weefselimplantaten hebben ontvangers opmerkelijke voordelen geboden op een aantal gebieden in neurowetenschappelijk onderzoek en biomedische toepassingen, therapeutische voorbeelden zijn niet alleen de ziekte van Alzheimer, Ziekte van Parkinson, epilepsie, traumatische hersenschade, en andere neurologische/neurologisch gerelateerde aandoeningen, evenals cognitie, geheugen, en sensomotorische stoornissen. Echter, huidige neurale implantaten hebben verschillende nadelen, inclusief ontsteking van zenuwweefsel of littekens als gevolg van microbeweging van het apparaat, evenals de levensduur en de mogelijke noodzaak tot verwijdering, en hoge stroomvereisten. Het ontwerpen van elektrische sondes die naadloos integreren in neuraal weefsel is daarom een ​​felbegeerd doel geweest. Daartoe, wetenschappers van de universiteit van Harvard hebben melding gemaakt van de succesvolle implantatie van een neuromorfe (dat wil zeggen, met een structuur die lijkt op hersenweefsel) ultraflexibele open mesh elektronica neurale sonde die wordt geleverd aan specifieke hersengebieden via injectiespuit (een protocol dat ze in 2015 publiceerden in Natuur Nanotechnologie ) ¹ .

De sonde - die geen voeding nodig heeft - registreert direct neurale spanningsveranderingen door in staat te zijn om te communiceren met alle hersengebieden vanaf het niveau van een enkel neuron via circuits en netwerken, waarin de mesh-opname-elektrode is verbonden door gepassiveerde metalen lijnen (dat wil zeggen, met een beschermende coating aangebracht op het oppervlak) op invoer-/uitvoerpads die zich aan het andere uiteinde van de maasstructuur bevinden. Deze I/O-pads, beurtelings, worden vervolgens aangesloten op platte flexibele kabels (FFC) en aangesloten op een extern systeem voor opname. De onderzoekers voerden ook systematische post-implantatiestudies uit, het vinden van minimale of afwezige neurale immuunresponsen, en bovendien was dat hersenweefsel doorgedrongen en samengevoegd met de mesh-sonde. De wetenschappers merken op dat het mesh-implantaat misschien nooit verwijderd hoeft te worden, maar als dat wel het geval is, dit zou een eenvoudige, zo niet probleemloze procedure zijn. Ze concluderen dat de meeste gebieden van fundamenteel neurowetenschappelijk onderzoek zouden kunnen profiteren van mesh-elektronica die stabiliteit op lange termijn en resolutie van één neuron biedt - unieke mogelijkheden die niet worden gevonden in conventionele neuroprothesen - en stellen in hun paper dat ultraflexibele open mesh-elektronica-sondes in de toekomst een breed scala aan mogelijkheden voor in vivo chronische registratie en modulatie van hersenactiviteit.

Chemische biologie Mark Hyman Jr. Professor in de chemie Charles Lieber besprak het artikel dat hij, Hoofdauteur Graduate Student Tao Zhou, Postdoctoraal onderzoeker Guosong Hong, en hun collega's gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences . "De belangrijkste uitdaging bij het ontwerpen en implanteren van een injecteerbare ultraflexibele open mesh-sonde is ervoor te zorgen dat het ontwerp vier belangrijke kenmerken heeft:" vertelt Lieber Phys.org . Deze factoren zijn maasopeningen die groter zijn dan cellichamen om de penetratie van neuronen te vergemakkelijken; kenmerken van mesh-elementen die even groot of kleiner zijn dan neuronen; flexibiliteit die in deze studie vele orden van grootte groter was dan die van neuronen; en mesh-elektronica die gemakkelijk kan worden geïnjecteerd door zeer hoge naalden om de mesh-positie nauwkeurig te regelen. "Door de mesh-elektronica zo te ontwerpen dat alle belangrijke eigenschappen neuromorfisch lijken op neuraal weefsel, we elimineren chronische immuunrespons die wordt gevonden bij alle andere sondes en medische implantaten, die meer als doornen in je weefsel zijn."

Zoals eerder gezegd, in het paper van de wetenschappers uit 2015 werd het concept van injecteerbare elektronica voor injecties geïnitieerd, wat Lieber opmerkt, opent een nieuw veld met veel mogelijkheden in afwachting van verdere studies - een voorbeeld is co-injectie van elektronica en cellen, waarbij mesh-elektronica ook functioneert als een weefselgroei-steiger die relevant is voor regeneratieve geneeskunde. "In het artikel dat hierin wordt besproken, rapporteren we systematische tijdsafhankelijke chronische histologische studies van de weefsel-mesh-interface nadat de mesh-sondes waren geïmplanteerd in knaagdierhersenen. Zowel horizontaal (die dwarsdoorsneden van geïmplanteerde mesh-sondes bevat) en sagittaal (die bevat bijna de gehele geïmplanteerde mesh-sondes) hersenplakjes werden gebruikt voor immunohistochemie en werden gekleurd met antilichamen die zich kunnen richten op neuronsomata, axonen, astrocyten en microglia. De resultaten in dit artikel onthullen het unieke karakter van mesh-sondes in termen van minimale of afwezigheid van weefselrespons en neuronpenetratie wanneer ze chronisch in de hersenen worden geïmplanteerd.

De onderzoekers gebruikten standaard fotolithografie om de mesh-elektronica-sondes te fabriceren met behulp van een op polyimide gebaseerde fotoresist (polyimiden zijn biocompatibel) in een drielaagse structuur;

1. de onderste mesh-structuur (meestal ~ 400 nm dik) wordt gedefinieerd volgens het specifieke ontwerp;

2. de metalen verbindingen, input/output pads, en hersenelektroden zijn gedefinieerd, deze zijn ~ 100 nm dik

3. de toplaag van polyimide-resist is zodanig gedefinieerd dat al het metaal is ingekapseld, behalve de I/O-pads en elektroden, waarbij de benadering en daaropvolgende polymeerverwerking leidt tot een robuuste bijna monolithische structuur <1 um in dikte

Lieber wijst erop dat de neuromorfe aard van de mesh-elektronica-sondes verband houdt met de bovenstaande drie punten, de bio/neurale compatibiliteit van het polyimidepolymeer dat voor het gaas wordt gebruikt, en de post-implantatie open driedimensionale maasstructuur. Samen, hij voegt toe, deze kenmerken maken de geïnjecteerde mesh-elektronica vrij gelijkaardig aan neurale netwerken die hersenweefsel omvatten, en daarom heel verschillend van conventionele sondes.

"De belangrijkste uitdaging om aan te tonen dat de sondes geen ontsteking of littekens veroorzaken - in tegenstelling tot de typische chronische weefselreactie - is het karakteriseren van de weefsel-mesh-interface op verschillende tijdstippen na implantatie, " legt Lieber uit. Om dit te bereiken, zonder geïmplanteerde mesh-sondes te verwijderen, verdeelden de onderzoekers muizenhersenen in zowel dwarsdoorsnede als longitudinale of sagittale (links / rechts) plakjes. "Onderzoek van zowel dwars- als langsdoorsneden met de geïmplanteerde mesh-elektronica-sonde leverde gedetailleerde en globale beelden op, respectievelijk, van sonde/weefsel-interactie, " merkt hij op, benadrukkend dat in de meeste gevallen conventionele sondes vóór het snijden uit het weefsel moeten worden verwijderd, resulterend in het verlies van een aantal kritische interface-informatie.

"De horizontale en sagittale hersenplakken - die dwarsdoorsneden van geïmplanteerde mesh-sondes bevatten, en bijna de gehele geïmplanteerde mesh-sonde, respectievelijk - werden gekleurd met antilichamen die zich kunnen richten op neuronsomata, axonen, astrocyten en microglia, "Lieber vervolgt, Bovendien, hij wijst erop dat deze onderzoeken hebben aangetoond dat, in tegenstelling tot conventionele sondes, neuron somata en axonen rond mesh-sondes werden niet beschadigd, en leidde tot natuurlijke weefselniveaus op het mesh-sondeoppervlak. "Evenzo, de markers voor ontsteking van de immuunrespons die astrocyten en microglia benadrukten, toonden aan dat deze soorten na slechts een paar weken in de mesh-elektronica op het achtergrondniveau kwamen, maar ze prolifereerden en verzamelden zich op de interfaces van conventionele sondes. de neuronen en mesh om te doordringen is universeel voor alle meshes die ze hebben geïnjecteerd en afgebeeld op 6 ~ 12 weken na injectie, hen ertoe aanzetten aanvullende experimenten te starten om erachter te komen hoe de grootte van structurele elementen van mesh-elektronica en andere parameters kunnen worden afgestemd om het vermogen van interpenetratie van neuronen te verbeteren.

Opgemerkt moet worden, Lieber vertelt Phys.org , dat de onderzoekers conservatief zijn wanneer ze in hun paper een minimale immuunrespons schrijven in afwachting van meer gedetailleerde markeranalyses. "In feite, we geloven dat er geen immuunrespons is van de mesh omdat onze resultaten aantonen dat elke initiële verbetering in astrocyten en microglia terugkeert naar de achtergrond zonder meetbaar verschil in de buurt van of distaal van de sonde na 12 weken - en, zoals getoond in onze 2016 Natuurmethoden papier ¹ — tot ten minste één jaar. We zijn dus van mening dat de reactie te wijten is aan acute schade die optreedt bij het inbrengen van de naald (of wat dat betreft, elke sonde) in de hersenen, maar gezien het gebrek aan immuunrespons van de mesh-sonde, deze acute schade geneest allemaal in de loop van de tijd, in tegenstelling tot verslechtering, zoals het geval is met conventionele sondes."

de minimale, herstelbare acute schade en de afwezigheid van een immuunrespons ondersteunen de mogelijkheid dat mesh-elektronica permanent levensvatbaar kan zijn. "Volgens onze eerdere en lopende onderzoeken tot nu toe, mesh-sondes kunnen gedurende ten minste één tot twee jaar een stabiele opname/stimulatie-interface met het hersenweefsel behouden, " zegt Lieber. "Echter, deze periode vertegenwoordigt niet de haalbare levensverwachting, aangezien er momenteel lopende onderzoeken gaande zijn om zelfs stabiliteit op langere termijn aan te tonen." Vanwege de beperking van de levensduur van het knaagdier van twee tot drie jaar, de wetenschappers verwachten meer stabiliteit te vinden in langer levende zoogdieren zoals resusapen en in lopende onderzoeken. "In het geval met een afwezige immuunrespons, zoals aangetoond in ons recente artikel, de levensverwachting van mesh-elektronica mag alleen worden bepaald door biocompatibiliteit en levensduur van de materialen, inclusief de metalen elektroden (goud en platina, die beide inert zijn), en het passiverende polymeer dat in eerdere publicaties (zoals Nemani et al ² ) om stabiliteit op lange termijn in fysiologische omstandigheden te tonen). Daarom, we blijven ervan overtuigd dat mesh-elektronica waarschijnlijk jarenlang een levensverwachting zal hebben met een stabiele neurale interface en opname- / stimulatiefuncties, en stel je het gaas uiteindelijk voor als levenslang implantaat."

Echter, Lieber voegt toe, als het gaas moet worden verwijderd, het kan direct worden geëxtraheerd met minimale kracht en schade aan de hersenen. "Hoewel dit een kleine hoeveelheid schade zou kunnen veroorzaken als gevolg van naadloze integratie met neuraal weefsel, we geloven dat de ongekende stabiliteit en afwezigheid van chronische immuunrespons van onze neurale weefselachtige mesh-elektronica zal leiden tot een paradigmaverandering waarbij de sonde een levenslange implantatie is die niet hoeft te worden verwijderd."

Vooruit gaan, Lieber zegt dat ze voortdurend onderzoek doen naar nieuwe mesh-ontwerpen met grote aantallen elektroden en injecties op meerdere plaatsen. "Bovendien, onze volgende stappen omvatten implantaties van mesh-elektronica in andere weefsels en organen dan de hersenen, bijvoorbeeld, in het oog voor in vivo opname van enkele retinale ganglioncellen, in het ruggenmerg, in de spier voor het bestuderen van signaalvoortplanting op de neuromusculaire junctie, enzovoort. We beginnen ook met onderzoeken die gebruikmaken van de ongekende stabiliteit en afwezigheid van chronische immuunrespons van de mesh-elektronica in modellen voor de ziekte van Alzheimer en Parkinson. en werken aan de implantatie van mesh-elektronica bij niet-menselijke primaten en menselijke patiënten."

Ze zien ook een breed scala aan huidige en potentiële toepassingen die profiteren van het gebruik van hun mesh-sonde, inclusief ruggenmerg- en neuromusculaire junctie-implantaten, hersen-machine-interfaces, cyborg dieren, natuurlijke en pathologische veroudering (zoals de ziekte van Alzheimer) met inzicht in hoe ruimtelijk geheugen en leren evolueren als een functie van leeftijd en ziektestadium. Bovendien, door stimulatie-elektroden toe te voegen, in staat zijn om feedback op fijn niveau mogelijk te maken die de cognitieve achteruitgang die gepaard gaat met veroudering en andere neurodegeneratieve ziekten kan verbeteren of overwinnen.

Wat betreft andere onderzoeksgebieden die baat kunnen hebben bij hun studie, Lieber zegt dat in het algemeen, de meeste gebieden van fundamenteel neurowetenschappelijk onderzoek zouden kunnen profiteren van de unieke mogelijkheden van mesh-elektronica op het gebied van stabiliteit op lange termijn en resolutie van één neuron. "In aanvulling, almost any clinical/medical application that involves electrical recordings and/or stimulations will benefit from our studies. In addition to that mentioned above, " concludeert hij, "the mesh electronics should provide unique opportunities for brain-machine interfaces for tetraplegic patients, deep brain stimulations for the treatment of Parkinson's disease, and neural prosthetics in general."

© 2017 Fys.org