Opfanger hjernesignaler med blød elektronik

Klas Tybrandt, hovedforsker ved Laboratory of Organic Electronics ved Linköpings Universitet, har udviklet ny teknologi til langtidsstabil neural optagelse. Den er baseret på et nyt elastisk materiale komposit, som er biokompatibel og bevarer høj elektrisk ledningsevne, selv når den strækkes til det dobbelte af sin oprindelige længde.

Resultatet er opnået i samarbejde med kolleger i Zürich og New York. Gennembruddet, som er afgørende for mange anvendelser inden for biomedicinsk teknik, er beskrevet i en artikel publiceret i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Avancerede materialer .

Koblingen mellem elektroniske komponenter og nerveceller er afgørende ikke kun for at indsamle information om cellesignalering, men også til at diagnosticere og behandle neurologiske lidelser og sygdomme, såsom epilepsi.

Det er meget udfordrende at opnå langsigtede stabile forbindelser, der ikke beskadiger neuroner eller væv, da de to systemer, kroppens bløde og elastiske væv og de hårde og stive elektroniske komponenter, har helt andre mekaniske egenskaber.

"Da menneskeligt væv er elastisk og mobilt, skader og betændelse opstår i grænsefladen med stive elektroniske komponenter. Det forårsager ikke kun skade på væv; det dæmper også neurale signaler, siger Klas Tybrandt, leder af Soft Electronics-gruppen ved Laboratory of Organic Electronics, Linköpings Universitet, Campus Norrköping.

Klas Tybrandt har udviklet et nyt ledende materiale, der er blødt som menneskevæv og kan strækkes til det dobbelte af længden. Materialet består af guldbelagte titaniumdioxid nanotråde, indlejret i silikonegummi. Materialet er biokompatibelt - hvilket betyder, at det kan være i kontakt med kroppen uden negative effekter - og dets ledningsevne forbliver stabilt over tid.

"Mikrofremstillingen af ​​bløde elektrisk ledende kompositter indebærer flere udfordringer. Vi har udviklet en proces til fremstilling af små elektroder, der også bevarer materialernes biokompatibilitet. Processen bruger meget lidt materiale, og det betyder, at vi kan arbejde med et relativt dyrt materiale som guld, uden at omkostningerne bliver uoverkommelige, siger Klas Tybrandt.

Elektroderne er 50 µm store og er placeret i en afstand af 200 µm fra hinanden. Fremstillingsproceduren gør det muligt at placere 32 elektroder på en meget lille overflade. Den sidste sonde, vist på billedet, har en bredde på 3,2 mm og en tykkelse på 80 µm.

De bløde mikroelektroder er udviklet på Linköpings Universitet og ETH Zürich, og forskere ved New York University og Columbia University har efterfølgende implanteret dem i hjernen på rotter. Forskerne var i stand til at indsamle højkvalitets neurale signaler fra de frit bevægende rotter i 3 måneder. Forsøgene har været genstand for etisk gennemgang, og har fulgt de strenge regler, der regulerer dyreforsøg.

"Når neuronerne i hjernen sender signaler, der dannes en spænding, som elektroderne registrerer og sender videre gennem en lillebitte forstærker. Vi kan også se, hvilke elektroder signalerne kom fra, hvilket betyder, at vi kan estimere det sted i hjernen, hvor signalerne stammer fra. Denne type spatiotemporal information er vigtig for fremtidige applikationer. Vi håber at kunne se, for eksempel, hvor signalet, der forårsager et epileptisk anfald, starter, en forudsætning for at behandle det. Et andet anvendelsesområde er hjerne-maskine-grænseflader, hvorved fremtidig teknologi og proteser kan styres ved hjælp af neurale signaler. Der er også mange interessante applikationer, der involverer det perifere nervesystem i kroppen og den måde, det regulerer forskellige organer på, siger Klas Tybrandt.