Ny, ultrafleksible prober danner pålidelige, ar-fri integration med hjernen

Ingeniørforskere ved University of Texas i Austin har designet ultrafleksible, nanoelectronic thread (NET) hjerneprober, der kan opnå mere pålidelig langsigtet neural optagelse end eksisterende prober og ikke fremkalder ardannelse, når de implanteres. Forskerne beskrev deres resultater i en forskningsartikel offentliggjort den 15. februar i Videnskabens fremskridt .

Et hold ledet af Chong Xie, en assisterende professor i Institut for Biomedicinsk Teknik i Cockrell School of Engineering, og Lan Luan, en forsker ved Cockrell School og College of Natural Sciences, har udviklet nye prober, der har mekaniske compliances, der nærmer sig hjernevævets og er mere end 1, 000 gange mere fleksibel end andre neurale prober. Denne ultrafleksibilitet fører til en forbedret evne til pålideligt at optage og spore den elektriske aktivitet af individuelle neuroner i lange perioder. Der er en stigende interesse i at udvikle langsigtet sporing af individuelle neuroner til neurale grænsefladeapplikationer, såsom udtrækning af neurale kontrolsignaler til amputerede for at kontrollere højtydende proteser. Det åbner også op for nye muligheder for at følge udviklingen af ​​neurovaskulære og neurodegenerative sygdomme som slagtilfælde, Parkinsons og Alzheimers sygdomme.

Et af problemerne med konventionelle sonder er deres størrelse og mekaniske stivhed; deres større dimensioner og stivere strukturer forårsager ofte skade omkring det væv, de omslutter. Derudover mens det er muligt for de konventionelle elektroder at registrere hjerneaktivitet i måneder, de giver ofte upålidelige og nedværdigende optagelser. Det er også udfordrende for konventionelle elektroder at elektrofysiologisk spore individuelle neuroner i mere end et par dage.

I modsætning, UT Austin-teamets elektroder er fleksible nok til, at de overholder vævets mikroskalabevægelser og stadig forbliver på plads. Sondens størrelse reducerer også drastisk vævsforskydningen, så hjernegrænsefladen er mere stabil, og aflæsningerne er mere pålidelige i længere perioder. Til forskernes viden, UT Austin-sonden - som er så lille som 10 mikron ved en tykkelse under 1 mikron, og har et tværsnit, der kun er en brøkdel af det af en neuron eller blodkapillær - er den mindste blandt alle neurale prober.

"Det, vi gjorde i vores forskning, er at bevise, at vi kan undertrykke vævsreaktioner og samtidig opretholde en stabil registrering, " sagde Xie. "I vores tilfælde, fordi elektroderne er meget, meget fleksibel, vi ser ingen tegn på hjerneskade - neuroner forblev i live selv i kontakt med NET-sonderne, gliaceller forblev inaktive, og vaskulaturen blev ikke utæt."

I eksperimenter med musemodeller, forskerne fandt ud af, at sondens fleksibilitet og størrelse forhindrede agitation af gliaceller, som er den normale biologiske reaktion på et fremmedlegeme og fører til ardannelse og neuronalt tab.

"Den mest overraskende del af vores arbejde er, at det levende hjernevæv, det biologiske system, har virkelig ikke noget imod at have en kunstig enhed rundt i flere måneder, " sagde Luan.

Forskerne brugte også avancerede billeddannelsesteknikker i samarbejde med biomedicinsk ingeniørprofessor Andrew Dunn og neuroforskerne Raymond Chitwood og Jenni Siegel fra Institute for Neuroscience ved UT Austin for at bekræfte, at den NET-aktiverede neurale grænseflade ikke blev nedbrudt i musemodellen i over fire måneder. eksperimenter. Forskerne planlægger at fortsætte med at teste deres sonder i dyremodeller og håber til sidst at deltage i kliniske forsøg. Forskningen modtog finansiering fra UT BRAIN-frøbevillingsprogrammet, Forsvarsministeriet og National Institutes of Health.