Новое устройство с всплывающими электродами может собирать более подробную информацию о мозге

Понимание нейронного интерфейса в мозге имеет решающее значение для понимания старения, обучения, прогрессирования болезни и многого другого. Однако все существующие методы изучения нейронов в мозге животных для лучшего понимания человеческого мозга имеют ограничения: от слишком инвазивных до недостаточного обнаружения информации. Недавно разработанное устройство с всплывающими электродами могло бы собирать более подробную информацию об отдельных нейронах и их взаимодействии друг с другом, ограничивая при этом возможность повреждения тканей головного мозга.

Исследователи под руководством Хуанью «Ларри» Ченга и Джеймса Л. Хендерсона-младшего, мемориального адъюнкт-профессора инженерных наук и механики в Инженерном колледже, опубликовали свои результаты в npj Гибкая электроника.

Сложно понять связь между большим количеством нейронных клеток в мозге. В прошлом люди разработали устройство, которое размещалось непосредственно на коре головного мозга для обнаружения информации на поверхностном слое, что менее инвазивно. Но без введения устройства в мозг сложно обнаружить межкортикальную информацию».

Хуаньюй «Ларри» Ченг

В ответ на это ограничение исследователи разработали электроды на основе зондов, которые вставляются в мозг. Проблема с этим методом заключается в том, что невозможно получить 3D-схему нейронов и мозга без использования нескольких датчиков, которые трудно разместить на гибкой поверхности и которые могут повредить ткань мозга.

«Чтобы решить эту проблему, мы используем дизайн всплывающих окон», — сказал Ченг. «Мы можем изготовить сенсорные электроды с разрешением и производительностью, сравнимыми с существующим производством. Но в то же время мы можем вставить их в трехмерную геометрию, прежде чем они будут вставлены в мозг. Они похожи на детские книжки-раскладушки. : У вас есть плоская форма, а затем вы прикладываете сжимающую силу. Она преобразует 2D в 3D. Это обеспечивает 3D-устройство с производительностью, сравнимой с 2D».

Исследователи заявили, что в дополнение к уникальному дизайну, который появляется в трех измерениях после введения в мозг, в их устройстве также используется комбинация материалов, которые ранее не использовались таким образом. В частности, они использовали полиэтиленгликоль, материал, который использовался ранее, в качестве биосовместимого покрытия для придания жесткости, что не является целью, для которой он использовался ранее.

«Чтобы ввести устройство в мозг, оно должно быть жестким, но после того, как устройство окажется в мозгу, оно должно быть гибким», — сказал соавтор Ки Джун Ю из Университета Йонсей в Республике Корея. «Поэтому мы использовали биоразлагаемое покрытие, которое обеспечивает жесткий внешний слой на устройстве. Как только устройство оказывается в мозгу, это жесткое покрытие растворяется, восстанавливая первоначальную гибкость. Сопоставив структуру материала и геометрию этого устройства, мы иметь возможность получать информацию от мозга для изучения трехмерной связи нейронов».

Следующие шаги исследования включают итерацию дизайна, чтобы сделать его полезным не только для лучшего понимания мозга, но и для операций и лечения заболеваний.

«В дополнение к исследованиям на животных, некоторые приложения использования устройства могут быть операциями или лечением заболеваний, когда вам может не понадобиться извлекать устройство, но вы, безусловно, захотите убедиться, что устройство биосовместимо в течение длительного периода времени. , — сказал Ченг. «Полезно спроектировать структуру как можно меньше, мягче и пористее, чтобы мозговая ткань могла проникнуть внутрь и использовать устройство в качестве каркаса для роста поверх него, что приведет к гораздо лучшему выздоровлению. Мы также хотели бы использовать биоразлагаемый материал, который можно растворить после использования».

Другие участники: Джу Ён Ли, Сан Хун Пак, Юджин Ким, Ён Ук Чо, Джэджин Пак, Чон-Хун Хон, Кьюбин Ким, Чонвун Шин, Чон Ын Джу, Ин Сик Мин и Мингью Сан из Университета Йонсей в Республике. Кореи; Hyogeun Shin, Ui-Jin Jeong, Aizhan Zhumbaeva, Kyung Yeun Kim, Eun-Bin Hong, Min-Ho Nam, Hojeong Jeon и Youngmee Jung из Корейского института науки и технологий в Республике Корея; Иль-Джу Чо из Корейского университета в Республике Корея; и Юян Гао и Боуэн Ли из Департамента инженерных наук и механики Пенсильванского университета.

Это исследование финансировалось Национальным исследовательским фондом Кореи и Национальным институтом здравоохранения.