Forskere udvikler implanterbar enhed, der kan optage en samling af individuelle neuroner over måneder

Registrering af aktiviteten af ​​store populationer af enkelte neuroner i hjernen over lange perioder er afgørende for at fremme vores forståelse af neurale kredsløb, for at muliggøre nye medicinsk udstyr-baserede terapier og i fremtiden for hjerne-computer grænseflader, der kræver høj opløsning elektrofysiologisk information.

Men i dag er der en afvejning mellem, hvor meget højopløsningsinformation en implanteret enhed kan måle, og hvor længe den kan opretholde optagelses- eller stimulationspræstationer. Stive siliciumimplantater med mange sensorer kan indsamle en masse information, men kan ikke blive i kroppen ret længe. Fleksible, mindre enheder er mindre påtrængende og kan holde længere i hjernen, men giver kun en brøkdel af den tilgængelige neurale information.

For nylig udviklede et tværfagligt team af forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) i samarbejde med University of Texas i Austin, MIT og Axoft, Inc., en blød implanterbar enhed med snesevis af sensorer der kan registrere enkelt-neuronaktivitet i hjernen stabilt i flere måneder.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Nanotechnology.

"Vi har udviklet hjerne-elektronik-grænseflader med enkeltcelleopløsning, der er mere biologisk kompatible end traditionelle materialer," sagde Paul Le Floch, førsteforfatter af papiret og tidligere kandidatstuderende i laboratoriet af Jia Liu, assisterende professor i bioingeniør ved SEAS . "Dette arbejde har potentialet til at revolutionere designet af bioelektronik til neural optagelse og stimulering og til hjerne-computer-grænseflader."

Le Floch er i øjeblikket administrerende direktør for Axoft, Inc., et firma grundlagt i 2021 af Le Floch, Liu og Tianyang Ye, en tidligere kandidatstuderende og postdoc-stipendiat i Park Group på Harvard. Harvard's Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendom, der er forbundet med denne forskning, og licenseret teknologien til Axoft til videreudvikling.

For at overvinde afvejningen mellem højopløsningsdatahastighed og lang levetid henvendte forskerne sig til en gruppe materialer kendt som fluorerede elastomerer. Fluorerede materialer, som teflon, er modstandsdygtige, stabile i biovæsker, har fremragende langsigtet dielektisk ydeevne og er kompatible med standard mikrofremstillingsteknikker.

Forskerne integrerede disse fluorerede dielektriske elastomerer med stakke af bløde mikroelektroder – i alt 64 sensorer – for at udvikle en langtidsholdbar sonde, der er 10.000 gange blødere end konventionelle fleksible prober fremstillet af plastmaterialer, såsom polyimid eller parylen C.

Holdet demonstrerede enheden in vivo , optager neural information fra hjernen og rygmarven hos mus i løbet af flere måneder.

"Vores forskning fremhæver, at det ved omhyggeligt at konstruere forskellige faktorer er muligt at designe nye elastomerer til langtidsstabile neurale grænseflader," sagde Liu, som er den tilsvarende forfatter til papiret. "Denne undersøgelse kunne udvide rækken af ​​designmuligheder for neurale grænseflader."

Det tværfaglige forskerhold omfattede også SEAS-professorerne Katia Bertoldi, Boris Kozinsky og Zhigang Suo.

"Design af nye neurale prober og grænseflader er et meget tværfagligt problem, som kræver ekspertise inden for biologi, elektroteknik, materialevidenskab, mekanik og kemiteknik," sagde Le Floch.

Forskningen var medforfatter af Siyuan Zhao, Ren Liu, Nicola Molinari, Eder Medina, Hao Shen, Zheliang Wang, Junsoo Kim, Hao Sheng, Sebastian Partarrieu, Wenbo Wang, Chanan Sessler, Guogao Zhang, Hyunsu Park, Xian Gong, Andrew Spencer, Jongha Lee, Tianyang Ye, Xin Tang, Xiao Wang og Nanshu Lu.

Flere oplysninger: Paul Le Floch et al., 3D spatiotemporalt skalerbare in vivo neurale prober baseret på fluorerede elastomerer, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01545-6

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences