Att registrera aktiviteten hos stora populationer av enskilda neuroner i hjärnan under långa tidsperioder är avgörande för att främja vår förståelse av neurala kretsar, för att möjliggöra nya medicintekniska terapier och, i framtiden, för hjärn-dator-gränssnitt som kräver hög upplösning elektrofysiologisk information.
Men idag finns det en avvägning mellan hur mycket högupplöst information en implanterad enhet kan mäta och hur länge den kan upprätthålla inspelning eller stimuleringsprestanda. Stela kiselimplantat med många sensorer kan samla in mycket information men kan inte stanna i kroppen särskilt länge. Flexibla, mindre enheter är mindre påträngande och kan hålla längre i hjärnan men tillhandahåller bara en bråkdel av den tillgängliga neurala informationen.
Nyligen utvecklade ett tvärvetenskapligt team av forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbete med University of Texas i Austin, MIT och Axoft, Inc., en mjuk implanterbar enhet med dussintals sensorer som kan registrera singelneuronaktivitet i hjärnan stabilt i månader.
Forskningen publicerades i Nature Nanotechnology.
"Vi har utvecklat gränssnitt mellan hjärna och elektronik med encellsupplösning som är mer biologiskt kompatibla än traditionella material", säger Paul Le Floch, första författare till uppsatsen och tidigare doktorand i labbet av Jia Liu, biträdande professor i bioteknik vid SEAS . "Detta arbete har potential att revolutionera designen av bioelektronik för neural inspelning och stimulering, och för gränssnitt mellan hjärna och dator."
Le Floch är för närvarande VD för Axoft, Inc, ett företag som grundades 2021 av Le Floch, Liu och Tianyang Ye, en före detta doktorand och postdoktor i Park Group vid Harvard. Harvards Office of Technology Development har skyddat den immateriella egendom som är associerad med denna forskning och licensierat tekniken till Axoft för vidareutveckling.
För att övervinna kompromissen mellan högupplöst datahastighet och livslängd vände sig forskarna till en grupp material som kallas fluorerade elastomerer. Fluorerade material, som teflon, är motståndskraftiga, stabila i biovätskor, har utmärkta långtidsdilektiska prestanda och är kompatibla med standardtekniker för mikrotillverkning.
Forskarna integrerade dessa fluorerade dielektriska elastomerer med staplar av mjuka mikroelektroder – totalt 64 sensorer – för att utveckla en långvarig sond som är 10 000 gånger mjukare än konventionella flexibla sonder gjorda av materialtekniska plaster, såsom polyimid eller parylen C.
Teamet demonstrerade enheten in vivo , registrerar neural information från hjärnan och ryggmärgen hos möss under loppet av flera månader.
"Vår forskning visar att det, genom att noggrant konstruera olika faktorer, är möjligt att designa nya elastomerer för långsiktigt stabila neurala gränssnitt", säger Liu, som är motsvarande författare till artikeln. "Denna studie kan utöka utbudet av designmöjligheter för neurala gränssnitt."
I det tvärvetenskapliga forskarteamet ingick också SEAS-professorerna Katia Bertoldi, Boris Kozinsky och Zhigang Suo.
"Att designa nya neurala sonder och gränssnitt är ett mycket tvärvetenskapligt problem som kräver expertis inom biologi, elektroteknik, materialvetenskap, mekanisk och kemiteknik", säger Le Floch.
Forskningen var medförfattare av 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 och Nanshu Lu.
Mer information: Paul Le Floch et al, 3D spatiotemporalt skalbara in vivo neurala prober baserade på fluorerade elastomerer, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01545-6
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
