Grænseflade med hjernen

Nervesystemet er fyldt med kodet information:tanker, følelser, motorstyring. Dette system i vores kroppe er en gåde, og jo mere vi kan gøre for at forstå det, jo mere kan vi gøre for at forbedre menneskelivet. Hjerne-maskine-grænseflader giver en måde at forbinde med dette forvirrende organsystem, inklusive hjernen. Men fordi elektroniske enheder er stive, plan, og stiv, de forårsager skade på hjernens bløde væv.

Indtil nu, det har været ekstremt udfordrende at udvikle et materiale og en fremstillingsmetode, der er fleksibel nok til at smelte sammen med hjernen, men klæbende nok til at blive på ét sted. Imidlertid, Carnegie Mellon University Associate Professor of Materials Science and Engineering and Biomedical Engineering Chris Bettinger og hans gruppe har skabt et hydrogelmateriale og fremstillingsproces til elektroder, der klæber til hjernen, matchende dens bløde, squishy makeup.

"Forestil dig, at du har en skål Jell-O, og du sætter en stiv plastikgaffel ind i skålen og flytter den rundt, " siger Bettinger. "Det kommer til at skade Jell-O'en, producerer defekter og irreversible strukturelle ændringer. Den situation er analog med at indsætte en stiv elektronisk sonde i blødt væv, såsom en persons hjerne. Det er en kombination af det, vi kalder mikrobevægelse og mekanik, som arbejder sammen om ikke kun at skade hjernen, men også kompromittere funktionen af ​​den implanterede sensor."

Den stive elektrode registrerer, når neuroner affyrer og registrerer spændingerne forbundet med disse affyrende neuroner. Men med tiden, kroppen fortolker dette materiale som en skade og et fremmedlegeme, der skal angribes, nedbrudt, isoleret, og fjernet. Inflammatoriske celler omgiver derefter sonden, forstyrre signalstyrken af ​​neuronerne i det pågældende område.

I de sidste tyve år har siliciumbaseret elektronik har udviklet sig fra stiv og plan form til buet, fleksibel, og strækbart. Stivheden af ​​denne elektronik har udviklet sig fra at være stiv som træ, til tynd og fleksibel som papir, til strækbare og bøjelige som gummibånd. Nu, Bettingers hold tager det et skridt videre, gør dem ikke kun fleksible og strækbare, men også ekstremt blød og klæbende.

"Hvis vi kunne fremstille elektroniske enheder, der har mekaniske egenskaber tættere på 'Jell-O' i stedet for træ eller plastik, så kan vi skjult samvirke neurale sonder med hjernen på en mere godartet måde, " siger Bettinger.

Udfordringen er, at de processer, der bruges til at fremstille sofistikeret elektronik, kræver høje temperaturer (400 C eller højere), et vakuum, og eksotiske opløsningsmidler, buffere, syrer, og baser til at ætse materialer og mønstre. Ingen af ​​disse er kompatible med bløde hydrogelmaterialer.

For at bekæmpe disse grundlæggende spørgsmål, Bettinger og hans team skabte en ny måde at fremstille elektronikken på - ved at afkoble fremstillingsprocesserne for den elektroniske del og det bløde underlag, den er indlejret i. For det første, de konstruerer den elektroniske del på et underlag, der er kompatibelt med høje temperaturer, ekstreme opløsningsmidler, og et vakuum, og lav hydrogelsubstratet separat. Derefter, de fjerner det elektroniske stykke fra dets originale substrat og klæber det til hydrogelsubstratet. Den endelige enhed indeholder et tyndt lag elektronik på en blød, fleksibel, og klæbrigt substrat, der har mekaniske egenskaber, der ligner dem i nervesystemet.

En anden udfordring var at skabe et materiale, der stadig var klæbende i væske. Hvis materialet ikke kan klæbe, når det er vådt, det ville være som at prøve at holde et plaster på, mens du er i poolen. For at elektroden skal fungere, skal den sidde på et sted i lang tid. Forskerne undersøgte egenskaberne af dyr som blåmuslingen, som klæber til sten under vandet. De anvendte de samme kemiske principper, da de lavede hydrogel -substratet.

"I stedet for at skulle tage en hjerne eller en rygmarv og derefter stikke noget i den og derefter skade den, " siger Bettinger, "vi kan laminere det ovenpå og undgå skader på vævet."

Det faktum, at noderne ikke skader vævet og ikke bevæger sig rundt, betyder, at de er i stand til at optage et stærkere og mere præcist signal fra de fyrende neuroner. Sonderne kunne nu ikke kun bruges til at optage signaler, men også for at stimulere terapier.

For eksempel, elektrodearrayet i sonden kunne blokere signalet, der fremkalder betændelse hos mennesker med leddegigt. I stedet for at bruge smertestillende midler som opiater, en elektronisk-baseret terapi, der stimulerer passende områder af rygmarven, kunne være mere målrettet og effektiv, samtidig med at man undgår risikoen for afhængighed sammenlignet med lægemiddelbaserede interventioner. Elektroderne kan også bruges til langtidsoptagelser, såsom at teste, hvordan et nyt lægemiddel kan påvirke hjertet. En klæbrig, blød elektrode, der kan bøje og bøje, kan forankre hjertet, registrere sine sammentrækninger, og angive hvilket lægemiddel der kan være mest effektivt.

"Vi forsøger at forbedre den tidsmæssige båndbredde af disse sonder, ved at bevare materialets levetid. Så kan vi få mere information og opretholde et passende signal-til-støj-forhold, " sagde Bettinger. "Forskere i flere discipliner forsøger at forbedre den måde, elektroniske enheder kan interagere med nervesystemet på. Vi føler, at vi bidrager til denne bredere indsats ved at udvide materialeværktøjskassen for at forbedre enhedens ydeevne."

Bettinger og hans gruppe samarbejder med forskere i elektro- og computerteknik ved Carnegie Mellon og med forskere ved University of Pittsburgh. Deres resultater er blevet offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer .