Ingenjörsforskare vid University of Texas i Austin har designat extremt flexibla, nanoelektronisk tråd (NET) hjärnprober som kan uppnå mer tillförlitlig långsiktig neural inspelning än befintliga sonder och inte framkalla ärrbildning vid implantering. Forskarna beskrev sina resultat i en forskningsartikel som publicerades den 15 februari i Vetenskapliga framsteg .

Ett team under ledning av Chong Xie, en biträdande professor vid Institutionen för biomedicinsk teknik vid Cockrell School of Engineering, och Lan Luan, en forskare vid Cockrell School och College of Natural Sciences, har utvecklat nya sonder som har mekaniska överensstämmelser som närmar sig hjärnvävnadens och är fler än 1, 000 gånger mer flexibel än andra neurala sonder. Denna extrema flexibilitet leder till en förbättrad förmåga att på ett tillförlitligt sätt registrera och spåra den elektriska aktiviteten hos enskilda neuroner under långa perioder. Det finns ett växande intresse för att utveckla långsiktig spårning av enskilda neuroner för neurala gränssnittsapplikationer, såsom att extrahera neurala kontrollsignaler för amputerade för att styra högpresterande proteser. Det öppnar också upp nya möjligheter att följa utvecklingen av neurovaskulära och neurodegenerativa sjukdomar som stroke, Parkinsons och Alzheimers sjukdomar.

Ett av problemen med konventionella sonder är deras storlek och mekaniska styvhet; deras större dimensioner och styvare strukturer orsakar ofta skada runt vävnaden de omfattar. Dessutom, medan det är möjligt för de konventionella elektroderna att registrera hjärnaktivitet i månader, de ger ofta opålitliga och förnedrande inspelningar. Det är också utmanande för konventionella elektroder att elektrofysiologiskt spåra enskilda neuroner i mer än några dagar.

I kontrast, UT Austin -teamets elektroder är tillräckligt flexibla för att de ska överensstämma med vävnadens mikroskala rörelser och fortfarande sitta kvar. Sondens storlek minskar också vävnadsförskjutningen drastiskt, så hjärnans gränssnitt är mer stabilt, och avläsningarna är mer tillförlitliga under längre perioder. Till forskarnas vetskap, UT Austin -sonden - som är så liten som 10 mikron vid en tjocklek under 1 mikron, och har ett tvärsnitt som bara är en bråkdel av ett neuron eller blodkapillär-är det minsta bland alla neurala prober.

"Det vi gjorde i vår forskning är att bevisa att vi kan undertrycka vävnadsreaktion samtidigt som vi håller en stabil registrering, "Sa Xie." I vårt fall, eftersom elektroderna är mycket, mycket flexibel, vi ser inga tecken på hjärnskada - neuroner förblev vid liv även i kontakt med NET -sonderna, glialceller förblev inaktiva och kärlen blev inte läcker. "

I experiment med musmodeller, forskarna fann att sondens flexibilitet och storlek förhindrade agitation av gliaceller, som är den normala biologiska reaktionen på en främmande kropp och leder till ärrbildning och neuronal förlust.

"Den mest överraskande delen av vårt arbete är att den levande hjärnvävnaden, det biologiska systemet, har verkligen inget emot att ha en konstgjord enhet i månader, Sa Luan.

Forskarna använde också avancerade bildtekniker i samarbete med professor i biomedicinsk teknik Andrew Dunn och neurovetenskapliga forskare Raymond Chitwood och Jenni Siegel från Institute for Neuroscience vid UT Austin för att bekräfta att det NET -aktiverade neurala gränssnittet inte försämrades i musmodellen i över fyra månader av experiment. Forskarna planerar att fortsätta testa sina sonder i djurmodeller och hoppas att så småningom delta i kliniska tester. Forskningen fick finansiering från UT BRAIN fröbidragsprogram, försvarsdepartementet och National Institutes of Health.