Forskare vid Stanford University har utvecklat en ny enhet för att koppla hjärnan direkt till kiselbaserad teknik. Även om enheter för gränssnitt mellan hjärna och maskin redan finns – och används för proteser, sjukdomsbehandling och hjärnforskning – den här senaste enheten kan spela in mer data samtidigt som den är mindre påträngande än befintliga alternativ.

"Ingen har tagit den här 2D-kiselelektroniken och matchat dem med hjärnans tredimensionella arkitektur tidigare, sa Abdulmalik Obaid, en doktorand i materialvetenskap och teknik vid Stanford. "Vi var tvungna att kasta ut det vi redan vet om konventionell chiptillverkning och designa nya processer för att föra kiselelektronik in i den tredje dimensionen. Och vi var tvungna att göra det på ett sätt som lätt kunde skalas upp."

Enheten, ämnet för en tidning publicerad 20 mars i Vetenskapens framsteg , innehåller ett knippe mikrotrådar, med varje tråd mindre än halva bredden av det tunnaste människohåret. Dessa tunna ledningar kan försiktigt föras in i hjärnan och anslutas på utsidan direkt till ett kiselchip som registrerar de elektriska hjärnsignalerna som passerar varje ledning – som att göra en film av neural elektrisk aktivitet. Nuvarande versioner av enheten inkluderar hundratals mikrotrådar men framtida versioner kan innehålla tusentals.

"Elektrisk aktivitet är ett av de högsta upplösningssätten att se på hjärnaktivitet, sa Nick Melosh, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford och medförfattare till tidningen. "Med denna mikrotrådsuppsättning, vi kan se vad som händer på singelneuronnivån."

Forskarna testade deras hjärna-maskin-gränssnitt på isolerade retinala celler från råttor och i hjärnan på levande möss. I båda fallen, de erhöll framgångsrikt meningsfulla signaler över arrayens hundratals kanaler. Pågående forskning kommer ytterligare att avgöra hur länge enheten kan finnas kvar i hjärnan och vad dessa signaler kan avslöja. Teamet är särskilt intresserade av vad signalerna kan berätta om lärande. Forskarna arbetar också med tillämpningar inom protetik, särskilt talhjälp.

Värt väntan

Forskarna visste att för att uppnå sina mål, de var tvungna att skapa ett hjärn-maskin-gränssnitt som inte bara var långvarigt, men också kapabla att upprätta en nära förbindelse med hjärnan samtidigt som den orsakar minimal skada. De fokuserade på att ansluta till kiselbaserade enheter för att dra fördel av framstegen inom dessa tekniker.

"Kiselchips är så kraftfulla och har en otrolig förmåga att skala upp, ", sa Melosh. "Vår array par med den tekniken mycket enkelt. Du kan faktiskt bara ta chippet, tryck den på den exponerade änden av bunten och få signalerna."

En huvudutmaning som forskarna tacklade var att ta reda på hur man skulle strukturera arrayen. Det måste vara starkt och hållbart, även om dess huvudkomponenter är hundratals små ledningar. Lösningen var att linda in varje tråd i en biologiskt säker polymer och sedan bunta ihop dem inuti en metallkrage. Detta säkerställer att ledningarna är åtskilda och korrekt orienterade. Nedanför kragen, polymeren tas bort så att trådarna individuellt kan riktas in i hjärnan.

Befintliga hjärn-maskin-gränssnittsenheter är begränsade till cirka 100 ledningar som erbjuder 100 signalkanaler, och var och en måste noggrant placeras i arrayen för hand. Forskarna ägnade år åt att förfina sina design- och tillverkningstekniker för att möjliggöra skapandet av en array med tusentals kanaler - deras ansträngningar stöddes, till viss del, av ett Wu Tsai Neurosciences Institute Big Ideas-anslag.

"Designen på den här enheten skiljer sig helt från alla befintliga inspelningsenheter med hög densitet, och formen, storleken och densiteten för arrayen kan enkelt varieras under tillverkningen. Detta innebär att vi samtidigt kan spela in olika hjärnregioner på olika djup med praktiskt taget vilket 3D-arrangemang som helst, sa Jun Ding, biträdande professor i neurokirurgi och neurologi, och medförfattare till tidningen. "Om den tillämpas brett, denna teknik kommer att avsevärt överträffa vår förståelse av hjärnans funktion i hälso- och sjukdomstillstånd."

Efter att ha tillbringat år med att driva denna ambitiösa men ändå eleganta idé, det var inte förrän i slutet av processen som de hade en apparat som kunde testas i levande vävnad.

"Vi var tvungna att ta kilometer av mikrotrådar och producera storskaliga arrayer, anslut dem sedan direkt till silikonchips, sade Obaid, som är huvudförfattare till tidningen. "Efter år av arbete med den designen, vi testade det på näthinnan för första gången och det fungerade direkt. Det var oerhört betryggande."

Efter deras första tester på näthinnan och på möss, forskarna genomför nu långsiktiga djurstudier för att kontrollera arrayens hållbarhet och prestandan hos storskaliga versioner. De undersöker också vilken typ av data som deras enhet kan rapportera. Resultaten hittills indikerar att de kanske kan se inlärning och misslyckande när de sker i hjärnan. Forskarna är optimistiska om att en dag kunna använda arrayen för att förbättra medicinsk teknik för människor, såsom mekaniska proteser och anordningar som hjälper till att återställa tal och syn.