Het registreren van de activiteit van grote populaties afzonderlijke neuronen in de hersenen gedurende lange perioden is van cruciaal belang voor het vergroten van ons begrip van neurale circuits, om nieuwe therapieën op basis van medische apparatuur mogelijk te maken en, in de toekomst, voor hersen-computerinterfaces die een hoge resolutie vereisen. elektrofysiologische informatie.

Maar tegenwoordig bestaat er een afweging tussen de hoeveelheid informatie met hoge resolutie die een geïmplanteerd apparaat kan meten en hoe lang het de opname- of stimulatieprestaties kan behouden. Stijve siliconenimplantaten met veel sensoren kunnen veel informatie verzamelen, maar kunnen niet lang in het lichaam blijven. Flexibele, kleinere apparaten zijn minder ingrijpend en kunnen langer in de hersenen blijven bestaan, maar leveren slechts een fractie van de beschikbare neurale informatie.

Onlangs heeft een interdisciplinair team van onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in samenwerking met de Universiteit van Texas in Austin, MIT en Axoft, Inc., een zacht implanteerbaar apparaat ontwikkeld met tientallen sensoren die de activiteit van één neuron in de hersenen maandenlang stabiel kan registreren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Nanotechnology.

"We hebben hersen-elektronica-interfaces ontwikkeld met eencellige resolutie die biologisch beter voldoen dan traditionele materialen", zegt Paul Le Floch, eerste auteur van het artikel en voormalig afgestudeerde student in het laboratorium van Jia Liu, assistent-professor bio-engineering bij SEAS . "Dit werk heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in het ontwerp van bio-elektronica voor neurale registratie en stimulatie, en voor hersen-computerinterfaces."

Le Floch is momenteel de CEO van Axoft, Inc, een bedrijf dat in 2021 werd opgericht door Le Floch, Liu en Tianyang Ye, een voormalig afgestudeerde student en postdoctoraal onderzoeker bij de Park Group op Harvard. Harvard's Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom in verband met dit onderzoek beschermd en de technologie in licentie gegeven aan Axoft voor verdere ontwikkeling.

Om de wisselwerking tussen gegevenssnelheid met hoge resolutie en een lange levensduur te overwinnen, hebben de onderzoekers zich tot een groep materialen gewend die bekend staan ​​als gefluoreerde elastomeren. Gefluoreerde materialen, zoals Teflon, zijn veerkrachtig, stabiel in biovloeistoffen, hebben uitstekende diëlektrische prestaties op de lange termijn en zijn compatibel met standaard microfabricagetechnieken.

De onderzoekers integreerden deze gefluoreerde diëlektrische elastomeren met stapels zachte micro-elektroden – in totaal 64 sensoren – om een ​​duurzame sonde te ontwikkelen die 10.000 keer zachter is dan conventionele flexibele sondes gemaakt van technische kunststoffen, zoals polyimide of parylene C.

Het team demonstreerde het apparaat in vivo , waarbij gedurende enkele maanden neurale informatie uit de hersenen en het ruggenmerg van muizen wordt vastgelegd.

"Ons onderzoek benadrukt dat het, door zorgvuldig verschillende factoren te ontwikkelen, mogelijk is om nieuwe elastomeren te ontwerpen voor langdurig stabiele neurale interfaces", zegt Liu, de corresponderende auteur van het artikel. "Deze studie zou het scala aan ontwerpmogelijkheden voor neurale interfaces kunnen uitbreiden."

Tot het interdisciplinaire onderzoeksteam behoorden ook SEAS-professoren Katia Bertoldi, Boris Kozinsky en Zhigang Suo.

"Het ontwerpen van nieuwe neurale sondes en interfaces is een zeer interdisciplinair probleem dat expertise vereist op het gebied van biologie, elektrotechniek, materiaalkunde, mechanische en chemische technologie", aldus Le Floch.

Het onderzoek is mede-auteur van 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 en Nanshu Lu.

Meer informatie: Paul Le Floch et al, 3D spatiotemporeel schaalbare in vivo neurale sondes op basis van gefluoreerde elastomeren, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01545-6

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences