Hal Penting yang Perlu Diketahui:
- Dinamika Saraf Kompleks: Jaringan neuron yang rumit di otak sangat penting untuk semua fungsi tubuh, mengendalikan segala sesuatu mulai dari keterampilan motorik hingga memori dan kesadaran.
- Dampak Ketidaksesuaian Material: Pemeriksaan saraf tradisional yang terbuat dari bahan kaku seperti silikon dapat menyebabkan ketidaksesuaian mekanis pada antarmuka otak, yang berpotensi menyebabkan masalah peradangan dan perpindahan.
- Kemajuan dalam Neural Probe: Inovasi terbaru menggunakan bahan yang lembut dan fleksibel seperti paduan eutektik galium-indium (EGaIn), yang sangat cocok dengan sifat mekanik jaringan otak, mengurangi reaksi merugikan dan meningkatkan stabilitas pemeriksaan.
- Sistem yang Dapat Disesuaikan dan Sesuai: Teknik mutakhir melibatkan pencetakan komponen antarmuka saraf langsung ke tengkorak, memungkinkan sistem yang sangat dapat disesuaikan dan biokompatibel sehingga meningkatkan akurasi dan umur panjang pemantauan saraf.
Otak adalah organ paling kompleks di tubuh. Ini adalah jaringan neuron kompleks 3D yang terus-menerus menghasilkan dan mengirimkan sinyal untuk berkomunikasi di dalam dirinya sendiri dan seluruh tubuh. Aktivitas saraf otak bertanggung jawab atas semua fungsi dalam tubuh dan, pada tingkat makro, mengontrol fungsi tubuh, kesadaran, dan ingatan pembentukan.
Kompleksitas otak berarti bahwa anomali kecil apa pun di dalam neuron dapat menimbulkan konsekuensi yang besar dan drastis, termasuk menyebabkan gangguan neurologis seperti epilepsi, penyakit Parkinson, penyakit Alzheimer, depresi, dan nyeri kronis. saraf probe sering digunakan untuk memeriksa apakah seseorang berisiko terkena gangguan ini, serta untuk memantau aktivitas dan perkembangan gangguan apa pun setelah didiagnosis. Ini adalah perangkat elektronik implan yang mentransduksi sinyal ionik saraf menjadi sinyal elektronik, memungkinkan aktivitas saraf di berbagai wilayah otak dipetakan.
Tantangan Bahan Probe Neural Tradisional
Namun, salah satu tantangan dari banyak probe saraf saat ini adalah bahwa probe tersebut didasarkan pada bahan padat— seperti logam atau silikon. Bahan-bahan ini memiliki modulus elastis sekitar ratusan GPa, yaitu sekitar tujuh kali lipat lebih tinggi dari modulus elastis otak. Hal ini menyebabkan ketidakcocokan mekanis pada otak probe antarmuka yang sering menyebabkan respons inflamasi dari jaringan otak setelah implantasi. Respon inflamasi ini sering kali menyebabkan implan berpindah dari lokasi yang diharapkan, sehingga data yang diperlukan tidak selalu terekam, dan pasien juga dapat mengalami ketidaknyamanan.
Penggunaan eutektik gallium-indium (EGaIn) dalam probe saraf, seperti yang dibahas dalam penelitian terbaru, mengatasi masalah penting ketidaksesuaian mekanis dengan menawarkan bahan yang lembut dan fleksibel yang meminimalkan iritasi jaringan dan respons inflamasi. Inovasi ini membuka jalan bagi sistem pemantauan saraf yang lebih aman dan nyaman.
Menggunakan perangkat elektronik lunak membantu mengurangi ketidakcocokan mekanis dan respons inflamasi. Sejumlah penelitian menunjukkan bahwa probe saraf yang lembut dan dapat disesuaikan dapat dibuat agar memiliki kecocokan mekanis yang lebih baik dengan jaringan otak untuk mengurangi respons peradangan. Namun, terlepas dari kemajuan material pada probe itu sendiri, probe tersebut masih dioperasikan oleh perangkat elektronik berukuran besar dan kaku yang dipasang di dalam bodinya. Sistem yang besar ini dapat menyebabkan perangkat terdegradasi dengan cepat di dalam tubuh dan mengurangi efektivitas probe saraf lunak seiring berjalannya waktu. Untuk sepenuhnya mewujudkan potensi probe saraf lunak dan biokompatibel, probe tersebut perlu disertai dengan komponen elektronik dan platform yang juga bersifat lunak, selaras, dan biokompatibel.
Untuk memberikan pemahaman yang lebih jelas tentang kemajuan teknologi dalam probe saraf, Gambar 1 dari studi yang direferensikan dengan jelas menggambarkan proses pencetakan logam cair resolusi tinggi yang digunakan untuk membuat probe saraf yang lembut dan fleksibel. Gambar ini tidak hanya menampilkan detail rumit dari desain probe tetapi juga menekankan ketepatan dan kemampuan beradaptasi metode fabrikasi ini, yang sangat penting untuk memastikan kompatibilitas dan fungsionalitas probe dalam lingkungan otak yang rumit.
a Skema sistem pencetakan logam cair. b Gambar SEM pola logam cair dengan skala batang pada 500 µm (hitam) dan 50 µm (putih). c Grafik yang menggambarkan lebar garis versus diameter dalam nosel, dengan bilah kesalahan yang menunjukkan deviasi standar. d Skema menunjukkan kemiripan antara probe saraf lunak dan neuron. Inset: skema tampilan meledak. e Gambar SEM dari ujung probe diwarnai untuk parylene (hijau) dan PtB (kuning), skala bar pada 10 µm. f SEM PtB di ujung probe, bilah skala pada 500 nm. g Spektroskopi impedansi untuk EGaIn dengan dan tanpa lapisan PtB; inset menunjukkan impedansi pada 1 kHz. h Perbandingan modulus elastis bahan seperti pelapis silikon, emas, PEDOT, dan EGaIn, dengan kesalahan deviasi standar. i Pemantauan resistensi PtB/EGaIn secara real-time selama pemutusan dan penyambungan kembali. j Impedansi PtB/EGaIn melalui siklus pemutusan dan penyambungan kembali.
Memasukkan material canggih seperti logam cair ke dalam elektronik antarmuka saraf menawarkan pendekatan revolusioner untuk memastikan keseluruhan sistem tetap lembut dan biokompatibel. Teknik ini, yang disorot dalam penelitian terbaru, mengoptimalkan umur panjang fungsional dan efektivitas probe saraf yang ditanamkan.
Melihat Kompatibilitas Seluruh Sistem Antarmuka Neural
Ketika melihat biokompatibilitas seluruh sistem implan yang digunakan untuk membangun antarmuka saraf, ada banyak komponen elektronik tambahan yang digunakan untuk mengumpulkan sinyal data mentah dari probe saraf dan mengirimkannya dari implan ke server eksternal di rumah sakit yang siap digunakan. untuk analisis. Selain itu, bentuk papan sirkuit tercetak yang datar dan kaku yang menghubungkan probe ke perangkat elektronik tambahan juga membatasi penggunaan probe saraf dalam jangka panjang dan memburuk seiring waktu karena ketidaksesuaian mekanis dengan jaringan di sekitarnya.
Perangkat elektronik yang dapat diregangkan dipandang sebagai solusi masa depan karena dapat meniru lengkungan alami tubuh dan tidak menyebabkan ketidaksesuaian mekanis yang memicu respons inflamasi. Namun, aspek penting lainnya adalah bahwa perangkat elektronik—khususnya papan sirkuit—harus disesuaikan dengan masing-masing pasien, karena papan sirkuitlah yang memiliki antarmuka terbesar dengan jaringan di sekitarnya dan memiliki pengaruh terbesar terhadap ketidaksesuaian mekanis selain perangkat elektronik. menyelidiki diri mereka sendiri. Sistem elektronik perlu disesuaikan dengan pasien karena ukuran tengkorak dan otak setiap orang berbeda, dan lokasi probe saraf akan berbeda tergantung pada wilayah otak mana yang dianalisis. Jadi, ada seruan untuk mengembangkan pendekatan yang dapat memenuhi tingkat desain yang dapat disesuaikan tergantung pada pasien dan prosedurnya.
Menyesuaikan antarmuka saraf melalui pencetakan langsung pada tengkorak memastikan setiap sistem disesuaikan secara unik dengan anatomi pasien, sehingga meningkatkan kemanjuran dan kenyamanan perawatan. Metode ini, yang menggunakan penempatan dan bahan yang tepat seperti logam cair, dapat meningkatkan hasil pasien secara signifikan dengan mengurangi risiko ketidaksesuaian mekanis dan respons jaringan selanjutnya.
Sistem Antarmuka Neural Baru yang Menawarkan Fleksibilitas Multi-Komponen
Para peneliti kini telah mencetak probe saraf, papan sirkuit, dan perangkat elektronik tambahan langsung ke otak dan tengkorak dalam upaya untuk memenuhi kebutuhan penyesuaian dan elektronik lunak. Hasilnya adalah sistem antarmuka saraf yang lembut dan selaras yang dapat memantau aktivitas satu unit neuron dengan stabilitas jangka panjang. Komponen sistem antarmuka saraf dicetak menggunakan paduan galium-indium eutektik (EGaIn; 75.5% galium, 24.5% indium berat), yang merupakan logam cair berbasis galium.
Probe saraf lunak logam cair yang dicetak memiliki diameter skala subseluler, dengan panjang yang dapat disesuaikan, dan ditanamkan di otak. Sirkuit logam cair, interkoneksi, dan perangkat elektronik tambahan semuanya langsung dicetak ke permukaan tengkorak, memungkinkan sistem lengkap memiliki integrasi yang sesuai dengan tubuh dan biokompatibilitas yang lebih baik. Sistem sirkuit yang dicetak pada tengkorak juga mampu mengirimkan sinyal saraf terukur secara nirkabel ke ponsel pintar. Sinyal dari probe saraf juga ditingkatkan dengan pembentukan nanocluster platinum pada probe saraf di antarmuka neuron-probe.
Skala subseluler dari probe saraf yang dicetak secara struktural dan mekanis mirip dengan neuron. Panjang probe dapat dikontrol dengan mencetak logam cair melalui nosel kapiler, memastikan bahwa probe dapat dimodifikasi secara tepat ke berbagai kedalaman dan wilayah otak tergantung pada prosedur dan wilayah yang diminati. Modulus lunak dari probe neuron yang dicetak mampu mengembalikan sifat konduksi listriknya di bawah deformasi ekstrim karena kemampuan penyembuhan diri dari logam cair.
Penerapan logam cair dalam probe saraf tidak hanya memungkinkan penyesuaian panjang dan diameter skala subselular tetapi juga memperkenalkan peningkatan yang signifikan dalam konduktivitas listrik dan sifat mekanik probe. Kemampuan beradaptasi ini memastikan bahwa probe dapat disesuaikan secara tepat untuk menargetkan area tertentu di otak, sehingga meningkatkan ketepatan pemantauan saraf dan strategi pengobatan.
Kemajuan dalam Aplikasi Antarmuka Neural
Para peneliti juga menunjukkan kemampuan untuk membentuk sirkuit miniatur dan konformal pada tengkorak tikus hidup dan mengambil rekaman saraf nirkabel dari aktivitas otak. Probe tersebut digunakan untuk merekam saraf dan menguji perilaku pada tikus yang bergerak bebas. Potensi medan lokal (LFP) dan lonjakan unit tunggal di berbagai wilayah otak diselidiki selama waktu pencatatan yang lama yaitu 33 minggu—menunjukkan kemampuan adaptasi proses untuk menciptakan antarmuka saraf yang dapat dicetak yang dapat digunakan untuk mengukur berbagai wilayah otak. dalam jangka waktu yang lama tanpa degradasi.
Perekaman sinyal saraf dilakukan menggunakan keduanya Wi-Fi dan sistem komunikasi jarak dekat (NFC). Menanamkan sistem komunikasi NFC ke dalam kulit kepala mencapai hasil positif dan transfer data untuk analisis. Di sisi lain, pendekatan Wi-Fi tidak sesukses pendekatan NFC karena komponennya tidak terintegrasi ke dalam bodi. Hal ini karena platform pencetakan berkemampuan Wi-Fi lebih besar dan memiliki kebutuhan baterai yang besar.
Ada banyak keberhasilan dalam menciptakan sistem antarmuka saraf lengkap yang dapat dicetak langsung ke tengkorak. Tantangan platform Wi-Fi membuka kemungkinan penelitian lebih lanjut di bidang ini untuk menciptakan baterai cetak yang lebih efisien menggunakan biofluida sebagai elektrolitnya. Kemampuan untuk menciptakan antarmuka saraf lunak dan sirkuit konformal pada jaringan biologis lunak juga dapat membantu memajukan bidang ilmu saraf dan bioelektronik di tahun-tahun mendatang.
Referensi:
Taman JU. dkk., Integrasi probe saraf lunak secara in-vivo melalui pencetakan elektronik cair resolusi tinggi pada tengkorak, Alam Komunikasi, 15, (2024), 1772.