Enheden bringer silicium computerkraft til hjerneforskning og proteser

Forskere ved Stanford University har udviklet en ny enhed til at forbinde hjernen direkte med siliciumbaserede teknologier. Mens hjerne-maskine interface-enheder allerede eksisterer - og bruges til proteser, sygdomsbehandling og hjerneforskning – denne seneste enhed kan optage flere data, mens den er mindre påtrængende end eksisterende muligheder.

"Ingen har taget denne 2-D siliciumelektronik og matchet dem med hjernens tredimensionelle arkitektur før, " sagde Abdulmalik Obaid, en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik ved Stanford. "Vi var nødt til at smide det ud, vi allerede ved om konventionel chipfremstilling og designe nye processer for at bringe siliciumelektronik ind i den tredje dimension. Og vi var nødt til at gøre det på en måde, der nemt kunne skaleres op."

Enheden, emnet for et papir udgivet 20. marts i Videnskabens fremskridt , indeholder et bundt mikrotråde, med hver ledning mindre end halvdelen af ​​bredden af ​​det tyndeste menneskehår. Disse tynde ledninger kan forsigtigt indsættes i hjernen og forbindes på ydersiden direkte til en siliciumchip, der registrerer de elektriske hjernesignaler, der passerer hver ledning - som at lave en film af neural elektrisk aktivitet. Nuværende versioner af enheden inkluderer hundredvis af mikroledninger, men fremtidige versioner kan indeholde tusindvis.

"Elektrisk aktivitet er en af ​​de højeste opløsningsmåder at se på hjerneaktivitet, " sagde Nick Melosh, professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford og co-senior forfatter af papiret. "Med dette mikrowire-array, vi kan se, hvad der sker på enkelt-neuronniveau."

Forskerne testede deres hjerne-maskine-grænseflade på isolerede retinale celler fra rotter og i hjernen på levende mus. I begge tilfælde de opnåede med succes meningsfulde signaler på tværs af arrayets hundredvis af kanaler. Igangværende forskning vil yderligere afgøre, hvor længe enheden kan forblive i hjernen, og hvad disse signaler kan afsløre. Teamet er især interesseret i, hvad signalerne kan fortælle dem om læring. Forskerne arbejder også med anvendelser inden for proteser, især talehjælp.

Ventetiden værd

Forskerne vidste, at for at nå deres mål, de skulle skabe en hjerne-maskine-grænseflade, der ikke kun var langtidsholdbar, men også i stand til at etablere en tæt forbindelse med hjernen og samtidig forårsage minimal skade. De fokuserede på at oprette forbindelse til siliciumbaserede enheder for at drage fordel af fremskridt inden for disse teknologier.

"Siliconchips er så kraftfulde og har en utrolig evne til at opskalere, " sagde Melosh. "Vores array parrer sig med den teknologi meget enkelt. Du kan faktisk bare tage chippen, tryk den på den udsatte ende af bundtet og få signalerne."

En hovedudfordring, som forskerne tog fat på, var at finde ud af, hvordan arrayet skulle struktureres. Det skulle være stærkt og holdbart, selvom dens hovedkomponenter er hundredvis af små ledninger. Løsningen var at pakke hver ledning ind i en biologisk sikker polymer og derefter bundte dem sammen inde i en metalkrave. Dette sikrer, at ledningerne er adskilt og korrekt orienteret. Under kraven, polymeren fjernes, så ledningerne individuelt kan ledes ind i hjernen.

Eksisterende hjerne-maskine-interface-enheder er begrænset til omkring 100 ledninger, der tilbyder 100 signalkanaler, og hver skal omhyggeligt placeres i arrayet i hånden. Forskerne brugte år på at forfine deres design- og fremstillingsteknikker for at muliggøre skabelsen af ​​et array med tusindvis af kanaler - deres indsats støttede, delvis, af en Wu Tsai Neurosciences Institute Big Ideas-bevilling.

"Designet af denne enhed er fuldstændig anderledes end alle eksisterende optageenheder med høj tæthed, og formen, størrelsen og tætheden af ​​arrayet kan ganske enkelt varieres under fremstillingen. Dette betyder, at vi samtidigt kan optage forskellige hjerneregioner i forskellige dybder med stort set ethvert 3-D arrangement, " sagde Jun Ding, adjunkt i neurokirurgi og neurologi, og medforfatter til papiret. "Hvis den anvendes bredt, denne teknologi vil i høj grad overgå vores forståelse af hjernefunktion i sundheds- og sygdomstilstande."

Efter at have brugt år på at forfølge denne ambitiøse, men alligevel elegante idé, det var først i slutningen af ​​processen, at de havde et apparat, der kunne testes i levende væv.

"Vi var nødt til at tage kilometervis af mikroledninger og producere arrays i stor skala, Forbind dem derefter direkte til siliciumchips, " sagde Obaid, der er hovedforfatter af avisen. "Efter mange års arbejde på det design, vi testede det på nethinden for første gang, og det virkede med det samme. Det var ekstremt betryggende."

Efter deres indledende test på nethinden og i mus, forskerne udfører nu længerevarende dyreforsøg for at kontrollere arrayets holdbarhed og ydeevnen af ​​store versioner. De undersøger også, hvilken slags data deres enhed kan rapportere. Resultaterne indtil videre indikerer, at de muligvis er i stand til at se læring og fiasko, mens de sker i hjernen. Forskerne er optimistiske med hensyn til en dag at kunne bruge arrayet til at forbedre medicinske teknologier til mennesker, såsom mekaniske proteser og enheder, der hjælper med at genoprette tale og syn.