211service.com
Hjärngränssnitt gjorda av siden
Läkare kan placera uppsättningar av elektroder på ytan av hjärnan för att lokalisera källan till epileptiska anfall; patienter kan använda sådana elektroder för att styra en datormarkör. Men det är fortfarande inte säkert att lämna dessa enheter i hjärnan på lång sikt, och det är en kvalitet som måste utvecklas innan forskare kan utveckla bättre hjärn-dator-gränssnitt.
Silke på hjärnan: Tunna, flexibla elektroder monterade ovanpå ett biologiskt nedbrytbart silkesubstrat kan ge ett bättre gränssnitt mellan hjärna och maskin. Enheten lindas runt sprickorna i hjärnans yta, som visas på den här modellen.
Nu bygger en grupp forskare biokompatibel elektronik på tunna, flexibla substrat. Gruppen hoppas kunna skapa neurala gränssnitt som tar högre upplösningsmätningar än vad som är tillgängligt idag utan att irritera eller orsaka ärrbildning i hjärnvävnaden.
Biokompatibilitet är en stor utmaning för nya generationer av medicinska implantat, säger Brian Litt , professor i neurologi och bioteknik vid University of Pennsylvania Medical School. Vi ville göra enheter som är ultratunna och kan föras in i hjärnan genom små hål i skallen, och vara gjorda av material som är biokompatibla, säger han. Litt arbetar med forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign som bygger högpresterande flexibel elektronik från kisel och andra konventionella material på substrat av biologiskt nedbrytbara, mekaniskt starka sidenfilmer från forskare vid Tufts University.
Denna vecka i journalen Naturmaterial , rapporterar laget att använda en silkeselektrodanordning för att mäta elektrisk aktivitet från hjärnans yta hos katter. Silke är mekaniskt starkt - det betyder att filmerna kan rullas ihop och föras in genom ett litet hål i skallen - men kan ändå lösas upp till ofarliga biomolekyler med tiden. När den placeras på hjärnvävnad och blöts med koksaltlösning, kommer en silkesfilm att krympa runt hjärnans yta och föra elektroder med sig in i vävnadens rynkor. Konventionella ytelektroduppsättningar kan inte nå dessa sprickor, som utgör en stor del av hjärnans yta.
En enhet som denna skulle helt öppna upp nya vägar inom alla neurovetenskapliga och kliniska tillämpningar, säger Gerwin Schalk , en forskare vid Wadsworth Center i Albany, NY, som inte är ansluten till silkeselektrodgruppen. Vad jag förutser är att placera en silkesbaserad enhet runt hela hjärnan och få en kontinuerlig bild av hjärnans funktion i veckor, månader eller år, med hög rumslig och tidsmässig upplösning.
Fördelen med ytelektroder jämfört med implanterade är att de inte orsakar ärrbildning, säger Andrew Schwartz , professor i neurobiologi vid University of Pittsburgh. 2008 visade Schwartz att en apa med en elektrod i hjärnan kan styra en armprotes för att mata sig själv. Den här designen är ännu bättre eftersom den har en relativt liten funktionsstorlek och är flexibel - det kan göra dessa implantat mindre traumatiska, säger han. Vad som verkligen skulle vara trevligt är om du kunde förstärka signalen nära där du hämtar den för att minska brus, och multiplexa signalen för att minska antalet ledningar som behövs, säger Schwartz.
Forskarna inom sidenelektronik säger att detta är deras nästa steg och ett av teknikens största löften. De har redan visat tunna, flexibla kiseltransistoruppsättningar byggda på silke och testat dem på djur – bara inte i hjärnan än. Schwartz säger att andra grupper har insett vikten av multiplexering och signalförstärkning, men har arbetat med stela kretskort som inte är lika biokompatibla. Att lägga till dessa aktiva komponenter skulle minska antalet ledningar som behövs i dessa implantat, som idag kräver en tråd per sensor. Och aktiva enheter kan svara på hjärnans aktivitet för att ge elektrisk stimuli eller släppa ut droger. (En av samarbetspartnerna på sidenprojektet, David Kaplan vid Tufts University, har visat att silkesanordningar som implanteras i hjärnan hos små djur kan ge läkemedel mot epilepsi.)
Att lägga till transistorer till elektroniken är för närvarande en designutmaning, säger John Rogers, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Den elektroduppsättningsdesign som hans grupp fann vara mest kompatibel med hjärnvävnad är ett nät – solida ark kommer inte att svepa runt hjärnvävnaden lika effektivt. Och att lägga till kiseltransistorer till nätet är svårare än att göra det på ett fast substrat. Ändå, säger Rogers, är alla de viktigaste delarna på plats och behöver bara integreras. Med ytterligare utveckling och testning för att bevisa att enheterna är säkra, säger Rogers, hoppas vi att detta kommer att vara grunden för nya gränssnitt mellan hjärna och maskin av högre kvalitet.