דברים עיקריים שכדאי לדעת:
- דינמיקה עצבית מורכבת: רשת הנוירונים הסבוכה של המוח חיונית לכל תפקודי הגוף, השולטת בכל דבר, החל מיומנויות מוטוריות ועד לזיכרון ולתודעה.
- השפעת אי התאמה חומרית: בדיקות עצביות מסורתיות העשויות מחומרים נוקשים כמו סיליקון עלולות לגרום לחוסר התאמה מכאנית בממשק המוח, מה שמוביל לבעיות דלקתיות ועקירה פוטנציאליות.
- התקדמות בבדיקות עצביות: חידושים אחרונים משתמשים בחומרים רכים וגמישים כמו סגסוגת גליום-אינדיום אוטקטית (EGaIn), התואמים היטב את התכונות המכניות של רקמת המוח, מפחיתים תגובות שליליות ומשפרים את יציבות הבדיקה.
- מערכות הניתנות להתאמה אישית והתאמה: טכניקות חדשניות כוללות הדפסת רכיבי ממשק עצבי ישירות על הגולגולת, מה שמאפשר מערכות מותאמות אישית ותואמות ביולוגיות המשפרות את הדיוק ואת אורך החיים של ניטור עצבי.
המוח הוא האיבר המורכב ביותר בגוף. זוהי רשת תלת מימדית מורכבת של נוירונים שמייצרים ומשדרים אותות באופן רציף כדי לתקשר בתוך עצמה ושאר הגוף. הפעילות הנוירונית של המוח אחראית על כל התפקודים בגוף, וברמת המאקרו, שולטת בתפקוד הגוף, התודעה וההכרה של הגוף. זיכרון היווצרות.
המורכבות של המוח פירושה שלכל אנומליה קטנה בתוך הנוירונים יכולה להיות השלכות גדולות ודרסטיות, כולל להוביל להפרעות נוירולוגיות כמו אפילפסיה, מחלת פרקינסון, מחלת אלצהיימר, דיכאון וכאב כרוני. עֲצַבִּי בדיקות משמשים לעתים קרובות כדי לבדוק אם מישהו נמצא בסיכון להפרעות אלה, כמו גם כדי לעקוב אחר הפעילות וההתקדמות של כל הפרעות לאחר האבחנה. אלו הם מכשירים אלקטרוניים הניתנים להשתלה המעבירים אותות יוניים עצביים לאותות אלקטרוניים, ומאפשרים למפות את הפעילויות הנוירוניות באזורים שונים של המוח.
אתגרים של חומרי בדיקה עצביים מסורתיים
עם זאת, אחד האתגרים של בדיקות עצביות רבות כיום הוא שהם מבוססים על חומרים מוצקים - כגון מתכות או סיליקון. לחומרים אלו יש מודולי אלסטיים באזור של מאות GPa, שהוא בסביבות שבעה סדרי גודל גבוה ממודול האלסטי של המוח. זה מוביל לאי התאמה מכנית במוח הבדיקה ממשק שלעתים קרובות גורם לתגובות דלקתיות מרקמת המוח לאחר ההשתלה. תגובות דלקתיות אלו גורמות פעמים רבות לשתל לנוע ממיקומו המיועד, כך שהנתונים הנדרשים לא תמיד נקלטים, והמטופל יכול לחוות גם אי נוחות.
השימוש בגליום-אינדיום אוטקטי (EGaIn) בבדיקות עצביות, כפי שנדון במחקרים אחרונים, מתייחס לנושא המכריע של אי התאמה מכנית על ידי הצעת חומר רך וגמיש הממזער גירוי רקמות ותגובות דלקתיות. חידוש זה סולל את הדרך למערכות ניטור עצביות בטוחות ונוחות יותר.
שימוש באלקטרוניקה רכה עוזר להפחית את אי ההתאמה המכנית ואת התגובות הדלקתיות. מספר מחקרים הראו כי ניתן ליצור בדיקות עצביות רכות והתאמה בעלות התאמה מכנית טובה יותר עם רקמת המוח כדי להפחית תגובות דלקתיות. עם זאת, למרות ההתקדמות החומרית בבדיקות עצמן, הן עדיין מופעלות על ידי אלקטרוניקה מגושמת ונוקשה המותקנת בתוך הגוף. מערכות מגושמות אלו עלולות לגרום למכשיר להתפרק במהירות בגוף ולהפחית את היעילות של הגשושיות העצביות הרכות לאורך זמן. כדי לממש במלואו את הפוטנציאל של בדיקות עצביות רכות וביו תואמות, הן צריכות להיות מלווים ברכיבים אלקטרוניים ובפלטפורמה שהיא גם רכה, מתאימה ותואמת ביולוגית בטבעה.
כדי לספק הבנה ברורה יותר של ההתקדמות הטכנולוגית בבדיקות עצביות, איור 1 מהמחקר הנזכר ממחיש בצורה חיה את תהליך ההדפסה ברזולוציה גבוהה של מתכת נוזלית המשמשת ליצירת בדיקות עצביות רכות וגמישות. נתון זה לא רק מציג את הפרטים המורכבים של עיצובי הבדיקה, אלא גם מדגיש את הדיוק וההתאמה של שיטת הייצור הזו, שהם חיוניים להבטחת התאימות והתפקוד של הבדיקות בסביבה העדינה של המוח.
a סכימה של מערכת ההדפסה ממתכת נוזלית. b תמונות SEM של דפוסי מתכת נוזלית עם פסי קנה מידה ב-500 מיקרומטר (שחור) ו-50 מיקרומטר (לבן). c גרף המתאר רוחב קו לעומת קוטר פנימי של הזרבובית, עם פסי שגיאה המציינים סטיית תקן. d סכמטי המראה את הדמיון בין הבדיקה העצבית הרכה לנוירון. הוספה: סכימה של תצוגה מפוצצת. e תמונת SEM של קצה הבדיקה בצבע עבור פארילן (ירוק) ו-PtB (צהוב), פס קנה מידה ב-10 מיקרומטר. f SEM של PtB על קצה הבדיקה, סרגל קנה מידה ב-500 ננומטר. g ספקטרוסקופיה עכבה ל-EGaIn עם וללא ציפוי PtB; ההכנסה מציגה עכבה ב-1 kHz. h השוואת מודולים אלסטיים של חומרים כמו ציפוי סיליקון, זהב, PEDOT ו-EGaIn, עם שגיאות סטיית תקן. i ניטור התנגדות בזמן אמת של PtB/EGaIn במהלך ניתוק וחיבור מחדש. j עכבה של PtB/EGaIn דרך מחזורי ניתוק וחיבור מחדש.
שילוב חומרים מתקדמים כמו מתכות נוזליות באלקטרוניקה של ממשקים עצביים מציע גישה מהפכנית להבטיח שהמערכת כולה תישאר רכה ותואמת ביולוגית. טכניקה זו, שהודגשה במחקרים עדכניים, מייעלת את אורך החיים התפקודי והיעילות של בדיקות עצביות מושתלות.
הסתכלות על התאימות של כל מערכת הממשק העצבי
כשמסתכלים על התאימות הביולוגית של מערכת השתלים כולה המשמשת לבניית הממשק העצבי, ישנם רכיבים אלקטרוניים בת רבים המשמשים לאיסוף אותות הנתונים הגולמיים מהגשושיות העצביות והעברתם מהשתל לשרת חיצוני בבית החולים מוכן. לניתוח. בנוסף, הצורה השטוחה והקשיחה של לוחות מעגלים מודפסים המחברים את הבדיקות לאלקטרוניקה הבת מגבילה גם את השימוש לטווח ארוך בבדיקות עצביות ומתדרדרת עם הזמן עקב חוסר ההתאמה המכאנית לרקמה הסובבת.
אלקטרוניקה ניתנת למתיחה נתפסת כדרך קדימה שכן היא יכולה לחקות את העקמומיות הטבעית של הגוף ולא לגרום לחוסר התאמה מכאנית המעודדת תגובות דלקתיות. עם זאת, היבט מרכזי נוסף הוא שהאלקטרוניקה - במיוחד לוח המעגלים - צריכה להיות מותאמת למטופל הבודד, שכן המעגל הוא בעל הממשק הגדול ביותר עם הרקמה הסובבת ויש לו את ההשפעה הגדולה ביותר על חוסר ההתאמה המכאנית מעבר ללוח. בודקים את עצמם. המערכות האלקטרוניות צריכות להיות מותאמות למטופל מכיוון שהגולגולת והמוח של כל אדם בגדלים שונים, והמיקום של הגשושיות העצביות יהיה שונה בהתאם לאיזה אזור במוח המנותח. לכן, יש קריאה לפתח גישות שיכולות לעמוד ברמה זו של עיצוב הניתן להתאמה אישית בהתאם למטופל ולפרוצדורה.
התאמה אישית של ממשקים עצביים באמצעות הדפסה ישירה על הגולגולת מבטיחה שכל מערכת מותאמת באופן ייחודי לאנטומיה של המטופל, ומשפרת הן את היעילות והנוחות של הטיפול. שיטה זו, המשתמשת במיקום מדויק ובחומרים כמו מתכות נוזליות, יכולה לשפר משמעותית את תוצאות המטופל על ידי הפחתת הסיכון לחוסר התאמה מכאנית ותגובת רקמות לאחר מכן.
מערכת ממשק עצבי חדשה המציעה גמישות מרובה רכיבים
חוקרים החלו כעת להדפיס את הבדיקות העצביות, המעגלים והאלקטרוניקה הבת ישירות על המוח והגולגולת במאמץ לעמוד בדרישות ההתאמה האישית והדרישות האלקטרוניות הרכות. התוצאה היא מערכת ממשק עצבית רכה וניתנת להתאמה שיכולה לנטר את פעילות יחידה אחת של נוירונים עם יציבות ארוכת טווח. רכיבי מערכת הממשק העצבי הודפסו באמצעות סגסוגת גליום-אינדיום אוקטית (EGaIn; 75.5% גליום, 24.5% אינדיום במשקל), שהיא מתכת נוזלית על בסיס גליום.
הבדיקות העצביות הרכות ממתכת נוזלית שהודפסו היו בעלות קוטר בקנה מידה תת תאי, עם אורכים ניתנים להתאמה, והן הושתלו במוח. מעגלי מתכת נוזלית, חיבורי גומלין ואלקטרוניקה בת הודפסו כולם ישירות על פני הגולגולת, מה שאיפשר למערכת השלמה שילוב קונפורמי לגוף ותאימות ביולוגית טובה יותר. מערכת המעגלים שהודפסה על הגולגולת הצליחה גם להעביר את האות העצבי הנמדד באופן אלחוטי לסמארטפון. האותות של הגשושיות העצביות הוגברו גם על ידי היווצרות ננו-צבירי פלטינה על הגשושיות העצביות בממשק הנוירון-בדיקה.
קנה המידה התת-תאי של הבדיקות הנוירונים שהודפסו היה דומה מבחינה מבנית ומכנית לנוירונים. ניתן לשלוט על אורכי הבדיקות על ידי הדפסת המתכת הנוזלית דרך זרבובית קפילרית, מה שמבטיח שניתן יהיה לשנות את הבדיקות במדויק לעומקים ואזורים שונים במוח בהתאם להליך ולאזורים המעניינים. המודול הרך של בדיקות הנוירון המודפסות הצליח לשחזר את תכונות ההולכה החשמלית שלהם תחת דפורמציה קיצונית עקב יכולות הריפוי העצמי של המתכת הנוזלית.
היישום של מתכת נוזלית בבדיקות עצביות לא רק מאפשר אורכים מתכווננים וקטרים בקנה מידה תת-תאי אלא גם מציג שיפור משמעותי במוליכות החשמלית ובתכונות המכניות של הבדיקות. יכולת הסתגלות זו מבטיחה שניתן להתאים את הגשושיות עד דק כדי להתמקד באזורים ספציפיים במוח, מה שמשפר את הדיוק של אסטרטגיות ניטור וטיפול עצבי.
התקדמות ביישומי ממשק עצבי
החוקרים גם הדגימו את היכולת ליצור מעגלים ממוזערים וקונפורמיים על הגולגולת של עכבר חי ולקחו הקלטות עצביות אלחוטיות של פעילות המוח. הבדיקות שימשו לרישום עצבי ובדיקות התנהגות על עכברים הנעים בחופשיות. פוטנציאל השדה המקומי (LFPs) וקפיצי יחידה בודדת על פני אזורים שונים במוח נחקרו במשך זמן הקלטה ארוך של 33 שבועות - מה שמציג את יכולת ההסתגלות של התהליך ליצירת ממשקים עצביים הניתנים להדפסה שניתן להשתמש בהם למדידת אזורים שונים במוח על פני תקופות זמן ארוכות ללא השפלה.
הקלטת האותות העצביים בוצעה באמצעות שניהם Wi-Fi ומערכת תקשורת בשדה קרוב (NFC). הטמעת מערכת התקשורת NFC בקרקפת השיגה תוצאות חיוביות והעברת נתונים לניתוח. מצד שני, גישת ה-Wi-Fi לא הייתה מוצלחת מכיוון שהרכיבים לא היו אינטגרטיביים בגוף כמו גישת ה-NFC. הסיבה לכך היא שהפלטפורמה המודפסת התומכת ב-Wi-Fi הייתה גדולה יותר והייתה לה דרישות סוללה מגושמות.
הייתה הצלחה רבה ביצירת מערכות ממשק עצבי שלמות להדפסה ישירות על הגולגולת. האתגרים עם פלטפורמת ה-Wi-Fi פותחים את האפשרות למחקר נוסף בתחום לקראת יצירת סוללות ניתנות להדפסה יעילות יותר באמצעות נוזלים ביולוגיים כאלקטרוליט. היכולת ליצור גם ממשקים עצביים רכים וגם מעגלים קונפורמיים על רקמות ביולוגיות רכות יכולה גם לעזור לקדם הן את מדעי המוח והן בתחום הביואלקטרוניקה בשנים הבאות.
התייחסות:
Park JU. וחב', אינטגרציה אינ-vivo של בדיקות עצביות רכות באמצעות הדפסה ברזולוציה גבוהה של אלקטרוניקה נוזלית על הגולגולת, תקשורת טבע, 15, (2024), 1772.