知っておくべき重要事項:
- 複雑な神経力学: 脳のニューロンの複雑なネットワークは、運動能力から記憶、意識に至るまであらゆる身体機能に不可欠であり、あらゆるものを制御します。
- 材料の不一致の影響: シリコンなどの硬い素材で作られた従来の神経プローブは、脳のインターフェースで機械的な不一致を引き起こし、潜在的な炎症や変位の問題を引き起こす可能性があります。
- 神経プローブの進歩: 最近の技術革新では、脳組織の機械的特性に厳密に一致する共晶ガリウム - インジウム合金 (EGaIn) のような柔らかく柔軟な材料が利用されており、副作用が軽減され、プローブの安定性が向上しています。
- カスタマイズ可能で適合性のあるシステム: 最先端の技術では、ニューラル インターフェイス コンポーネントを頭蓋に直接プリントすることが含まれており、これにより、神経モニタリングの精度と寿命を向上させる、高度にカスタマイズされた生体適合性システムが可能になります。
脳は体の中で最も複雑な器官です。これは、自身や身体の他の部分と通信するために信号を継続的に生成および送信するニューロンの 3D 複雑なネットワークです。脳の神経活動は体のすべての機能に関与しており、マクロレベルで体の機能、意識、および意識を制御します。 メモリ 形成。
脳の複雑さは、ニューロン内の小さな異常が、てんかん、パーキンソン病、アルツハイマー病、うつ病、慢性疼痛などの神経障害を引き起こすなど、大きく重大な影響を与える可能性があることを意味します。ニューラル プローブ 誰かがこれらの障害のリスクにさらされているかどうかを確認したり、診断された障害の活動性や進行を監視したりするためによく使用されます。これらは 埋め込み型電子機器 神経イオン信号を電子信号に変換し、脳のさまざまな領域内のニューロン活動をマッピングできるようにします。
従来の神経プローブ材料の課題
しかし、今日の多くの神経プローブの課題の 1 つは、それらが金属や金属などの固体材料に基づいていることです。 シリコン。これらの材料の弾性率は数百 GPa 程度であり、これは脳の弾性率よりも約 7 桁高いです。これにより、プローブと脳の機械的な不一致が生じます。 インタフェース これは、移植後に脳組織からの炎症反応を引き起こすことがよくあります。これらの炎症反応により、インプラントが意図した位置から移動することがよくあるため、必要なデータが常に収集されるわけではなく、患者も不快感を感じる可能性があります。
最近の研究で議論されているように、神経プローブにおける共晶ガリウムインジウム (EGaIn) の使用は、組織の刺激や炎症反応を最小限に抑える柔らかく柔軟な材料を提供することで、機械的不一致という重大な問題に対処します。この革新により、より安全で快適な神経モニタリング システムへの道が開かれます。
ソフトエレクトロニクスの使用は、機械的不一致と炎症反応を軽減するのに役立ちます。多くの研究により、炎症反応を軽減するために脳組織とより機械的に適合する、柔らかく形状に適合する神経プローブを作成できることが示されています。しかし、プローブ自体の材料が進歩しているにもかかわらず、プローブは依然として、体内に取り付けられた大きくて硬い電子機器によって操作されています。これらのかさばるシステムにより、デバイスが体内で急速に劣化し、時間の経過とともにソフト神経プローブの有効性が低下する可能性があります。柔らかく生体適合性のある神経プローブの可能性を十分に発揮するには、本質的に柔らかく、形状に適合し、生体適合性のある電子コンポーネントとプラットフォームを伴う必要があります。
神経プローブの技術進歩をより明確に理解するために、参照研究の図 1 は、柔らかく柔軟な神経プローブの作成に使用される液体金属の高解像度印刷プロセスを生き生きと示しています。この図は、プローブ設計の複雑な詳細を示すだけでなく、脳の繊細な環境内でのプローブの適合性と機能を確保するために重要である、この製造方法の精度と適応性も強調しています。
a 液体金属印刷システムの概略図。 b 500 μm (黒) と 50 μm (白) のスケールバーを持つ液体金属パターンの SEM 画像。 c 線幅とノズル内径の関係を示すグラフ。誤差バーは標準偏差を示します。 d ソフトニューラルプローブとニューロンの類似性を示す概略図。挿入図: 分解図。 e パリレン (緑色) と PtB (黄色) で色分けされたプローブ先端の SEM 画像、スケールバーは 10 µm。 f プローブ先端上の PtB の SEM、500 nm のスケールバー。 g PtB コーティングありおよびなしの EGaIn のインピーダンス分光法。挿入図は 1 kHz でのインピーダンスを示しています。 h シリコン、金、PEDOT、EGaIn コーティングなどの材料の弾性率の比較 (標準偏差誤差付き)。 i 切断および再接続中の PtB/EGaIn のリアルタイム抵抗モニタリング。 j 切断と再接続のサイクルによる PtB/EGaIn のインピーダンス。
液体金属のような先進的な材料をニューラルインターフェースのエレクトロニクスに組み込むことは、システム全体の柔らかさと生体適合性を確保するための革新的なアプローチを提供します。最近の研究で注目されているこの技術は、埋め込まれた神経プローブの機能寿命と有効性を最適化します。
ニューラルインターフェースシステム全体の互換性を見る
ニューラルインターフェイスの構築に使用されるインプラントシステム全体の生体適合性を見ると、神経プローブから生データ信号を収集し、それらをインプラントから病院の外部サーバーに送信するために使用される補助的な電子コンポーネントが多数あります。分析用に。さらに、プローブを補助電子機器に接続するプリント回路基板の平らで硬い形状も、神経プローブの長期使用を制限し、周囲の組織との機械的不一致により時間の経過とともに劣化します。
伸縮性のあるエレクトロニクスは、体の自然な湾曲を模倣でき、炎症反応を促進する機械的な不一致を誘発しないため、今後の進歩と見なされています。ただし、もう 1 つの重要な側面は、電子機器、特に回路基板を個々の患者に合わせて調整する必要があるということです。回路基板は周囲の組織との最大の境界面を持ち、組織を超えた機械的不一致に最も大きな影響を与えるからです。プローブ自体。頭蓋骨と脳の大きさは人によって異なり、脳のどの領域を分析するかによって神経プローブの位置も異なるため、電子システムは患者に合わせて調整する必要があります。したがって、患者と処置に応じてこのレベルのカスタマイズ可能な設計を満たすことができるアプローチを開発することが求められています。
頭蓋への直接印刷によるニューラル インターフェイスのカスタマイズにより、各システムが患者の解剖学的構造に合わせて独自に調整され、治療の有効性と快適性の両方が向上します。正確な配置と液体金属などの材料を利用するこの方法は、機械的不一致とその後の組織反応のリスクを軽減することで、患者の転帰を大幅に改善できます。
マルチコンポーネントの柔軟性を提供する新しいニューラル インターフェイス システム
研究者らは現在、カスタマイズ性とソフトエレクトロニクスの需要を満たすために、神経プローブ、回路基板、補助電子機器を脳と頭蓋に直接プリントすることに着手している。その結果、長期間安定してニューロンの単一ユニットの活動を監視できる、柔らかく適合性の高いニューラルインターフェイスシステムが誕生しました。ニューラル インターフェイス システムのコンポーネントは、ガリウム ベースの液体金属である共晶ガリウム - インジウム合金 (EGaIn; 重量でガリウム 75.5%、インジウム 24.5%) を使用して印刷されました。
印刷された液体金属製のソフト神経プローブは、細胞内スケールの直径と適応可能な長さを持ち、脳に埋め込まれました。液体金属回路、相互接続、および補助電子機器はすべて頭蓋の表面に直接印刷され、完全なシステムが身体に共形的に統合され、生体適合性が向上しました。頭蓋にプリントされた回路システムは、測定された神経信号をスマートフォンに無線で送信することもできた。神経プローブのシグナルは、ニューロンとプローブの界面における神経プローブ上の白金ナノクラスターの形成によっても増強されました。
プリントされたニューロンプローブの細胞内スケールは、構造的および機械的にニューロンと同様でした。プローブの長さは毛細管ノズルを介して液体金属を印刷することで制御でき、手順や対象領域に応じて脳のさまざまな深さと領域にプローブを正確に変更できるようになります。印刷されたニューロンプローブの軟弾性率は、液体金属の自己修復能力により、極度の変形下でも電気伝導特性を回復することができました。
液体金属を神経プローブに応用すると、長さや細胞内スケールの直径を調整できるだけでなく、プローブの電気伝導率や機械的特性も大幅に向上します。この適応性により、脳の特定の領域をターゲットにするためにプローブを微調整できることが保証され、神経モニタリングと治療戦略の精度が向上します。
ニューラル インターフェイス アプリケーションの進歩
研究者らはまた、生きたマウスの頭蓋上に小型化された等角回路を形成する能力を実証し、脳活動のワイヤレス神経記録を取得した。プローブは、自由に動くマウスの神経記録と行動テストに使用されました。脳のさまざまな領域にわたる局所電場電位 (LFP) と単一単位スパイクが 33 週間という長い記録時間にわたって調査されました。これは、脳のさまざまな領域の測定に使用できる印刷可能なニューラル インターフェイスを作成するプロセスの適応性を示しています。長期間劣化することなく使用できます。
神経信号の記録は両方を使用して実行されました。 Wi-Fi 近距離無線通信 (NFC) システム。 NFC 通信システムを頭皮に埋め込むことで、良好な結果が得られ、分析用のデータが転送されました。一方、Wi-Fi アプローチは、コンポーネントが NFC アプローチほど身体に統合されていなかったため、それほど成功しませんでした。これは、印刷された Wi-Fi 対応プラットフォームが大きく、大量のバッテリーを必要としたためです。
完全な印刷可能なニューラル インターフェイス システムを頭蓋上に直接作成することに多くの成功が収められています。 Wi-Fi プラットフォームの課題により、生体流体を電解質として使用するより効率的な印刷可能なバッテリーの作成に向けた、この分野でのさらなる研究の可能性が開かれています。柔らかい生体組織上にソフトニューラルインターフェースとコンフォーマル回路の両方を作成できる能力は、今後数年間で神経科学とバイオエレクトロニクスの両方の分野を発展させるのに役立つ可能性があります。
参照：
パク・ジュさん。 et al.、頭蓋上の液体エレクトロニクスの高解像度印刷によるソフト神経プローブの生体内統合、 ネイチャー·コミュニケーションズ, 15、（2024）、1772。