Perkara Utama yang Perlu Diketahui:
- Dinamik Neural Kompleks: Rangkaian neuron otak yang rumit adalah penting untuk semua fungsi badan, mengawal segala-galanya daripada kemahiran motor kepada ingatan dan kesedaran.
- Kesan Ketidakpadanan Bahan: Probe saraf tradisional yang diperbuat daripada bahan tegar seperti silikon boleh menyebabkan ketidakpadanan mekanikal pada antara muka otak, yang membawa kepada masalah keradangan dan anjakan yang berpotensi.
- Kemajuan dalam Probe Neural: Inovasi terkini menggunakan bahan lembut dan fleksibel seperti aloi gallium-indium eutektik (EGaIn), yang sepadan dengan sifat mekanikal tisu otak, mengurangkan tindak balas buruk dan meningkatkan kestabilan probe.
- Sistem Boleh Disesuaikan dan Boleh Disesuaikan: Teknik canggih melibatkan pencetakan komponen antara muka saraf terus ke tengkorak, membolehkan sistem tersuai tinggi dan biokompatibel yang meningkatkan ketepatan dan jangka hayat pemantauan saraf.
Otak adalah organ yang paling kompleks dalam badan. Ia adalah rangkaian neuron kompleks 3D yang secara berterusan menjana dan menghantar isyarat untuk berkomunikasi dalam dirinya dan seluruh badan. Aktiviti neuron otak bertanggungjawab untuk semua fungsi dalam badan dan, pada tahap makro, mengawal fungsi badan, kesedaran, dan memori pembentukan.
Kerumitan otak bermakna bahawa sebarang anomali kecil dalam neuron boleh membawa akibat yang besar dan drastik, termasuk membawa kepada gangguan neurologi seperti epilepsi, penyakit Parkinson, penyakit Alzheimer, kemurungan, dan sakit kronik. saraf pemeriksaan sering digunakan untuk memeriksa sama ada seseorang berisiko mengalami gangguan ini, serta memantau aktiviti dan perkembangan sebarang gangguan setelah didiagnosis. Ini adalah peranti elektronik yang boleh ditanam yang memindahkan isyarat ionik saraf kepada isyarat elektronik, membolehkan aktiviti neuron dalam kawasan otak yang berbeza dipetakan.
Cabaran Bahan Probe Neural Tradisional
Walau bagaimanapun, salah satu cabaran banyak probe saraf hari ini ialah ia berasaskan bahan pepejal— seperti logam atau silikon. Bahan-bahan ini mempunyai moduli anjal di kawasan ratusan GPa, iaitu sekitar tujuh urutan magnitud lebih tinggi daripada modulus anjal otak. Ini membawa kepada ketidakpadanan mekanikal pada otak probe antara muka yang sering menyebabkan tindak balas keradangan dari tisu otak selepas implantasi. Tindak balas keradangan ini sering menyebabkan implan bergerak dari lokasi yang dimaksudkan, jadi data yang diperlukan tidak selalu ditangkap, dan pesakit juga boleh mengalami ketidakselesaan.
Penggunaan eutektik gallium-indium (EGaIn) dalam probe saraf, seperti yang dibincangkan dalam kajian baru-baru ini, menangani isu penting ketidakpadanan mekanikal dengan menawarkan bahan lembut dan fleksibel yang meminimumkan kerengsaan tisu dan tindak balas keradangan. Inovasi ini membuka jalan untuk sistem pemantauan saraf yang lebih selamat dan selesa.
Menggunakan elektronik lembut membantu mengurangkan ketidakpadanan mekanikal dan tindak balas keradangan. Beberapa kajian telah menunjukkan bahawa probe neural yang lembut dan selaras boleh dicipta yang mempunyai padanan mekanikal yang lebih baik dengan tisu otak untuk mengurangkan tindak balas keradangan. Walau bagaimanapun, walaupun kemajuan bahan dalam probe itu sendiri, ia masih dikendalikan oleh elektronik besar dan tegar yang dipasang di dalam badan. Sistem besar ini boleh menyebabkan peranti merosot dengan cepat dalam badan dan mengurangkan keberkesanan probe saraf lembut dari semasa ke semasa. Untuk merealisasikan sepenuhnya potensi probe neural yang lembut dan biokompatibel, mereka perlu disertakan dengan komponen elektronik dan platform yang juga bersifat lembut, serasi dan biokompatibel.
Untuk memberikan pemahaman yang lebih jelas tentang kemajuan teknologi dalam probe neural, Rajah 1 daripada kajian yang dirujuk dengan jelas menggambarkan proses pencetakan resolusi tinggi logam cecair yang digunakan untuk mencipta probe saraf yang lembut dan fleksibel. Angka ini bukan sahaja mempamerkan butiran rumit reka bentuk probe tetapi juga menekankan ketepatan dan kebolehsuaian kaedah fabrikasi ini, yang penting untuk memastikan keserasian dan kefungsian probe dalam persekitaran halus otak.
a Skema sistem percetakan logam cecair. b Imej SEM bagi corak logam cecair dengan bar skala pada 500 µm (hitam) dan 50 µm (putih). c Graf yang menggambarkan lebar garisan berbanding diameter dalam muncung, dengan bar ralat menunjukkan sisihan piawai. d Skema yang menunjukkan persamaan antara probe saraf lembut dan neuron. Inset: skema paparan meletup. e Imej SEM hujung probe berwarna untuk parylene (hijau) dan PtB (kuning), bar skala pada 10 µm. f SEM PtB pada hujung probe, bar skala pada 500 nm. g Spektroskopi impedans untuk EGaIn dengan dan tanpa salutan PtB; inset menunjukkan impedans pada 1 kHz. h Perbandingan moduli elastik bagi bahan seperti lapisan silikon, emas, PEDOT dan EGaIn, dengan ralat sisihan piawai. i Pemantauan rintangan masa nyata PtB/EGaIn semasa pemotongan dan penyambungan semula. j Impedans PtB/EGaIn melalui kitaran pemotongan dan penyambungan semula.
Menggabungkan bahan termaju seperti logam cecair ke dalam elektronik antara muka saraf menawarkan pendekatan revolusioner untuk memastikan keseluruhan sistem kekal lembut dan serasi bio. Teknik ini, yang diketengahkan dalam penyelidikan baru-baru ini, mengoptimumkan umur panjang berfungsi dan keberkesanan probe saraf yang diimplan.
Melihat Keserasian Sistem Antara Muka Neural Keseluruhan
Apabila melihat biokompatibiliti keseluruhan sistem implan yang digunakan untuk membina antara muka saraf, terdapat banyak komponen elektronik anak syarikat yang digunakan untuk mengumpul isyarat data mentah dari probe saraf dan menghantarnya dari implan ke pelayan luaran di hospital sedia. untuk analisis. Selain itu, bentuk papan litar bercetak yang rata dan tegar yang menyambungkan kuar ke elektronik anak syarikat juga mengehadkan penggunaan jangka panjang kuar saraf dan merosot dari semasa ke semasa disebabkan ketidakpadanan mekanikal dengan tisu sekeliling.
Elektronik boleh renggang dilihat sebagai jalan ke hadapan kerana ia boleh meniru kelengkungan semula jadi badan dan tidak mendorong sebarang ketidakpadanan mekanikal yang menggalakkan tindak balas keradangan. Walau bagaimanapun, satu lagi aspek utama ialah elektronik-terutamanya papan litar-perlu disesuaikan dengan pesakit individu, kerana papan litar yang mempunyai antara muka terbesar dengan tisu sekeliling dan mempunyai kesan terbesar pada ketidakpadanan mekanikal di luar menyiasat diri mereka sendiri. Sistem elektronik perlu disesuaikan dengan pesakit kerana tengkorak dan otak setiap orang adalah saiz yang berbeza, dan lokasi probe saraf akan berbeza bergantung pada kawasan otak yang sedang dianalisis. Jadi, terdapat panggilan untuk membangunkan pendekatan yang boleh memenuhi tahap reka bentuk yang boleh disesuaikan ini bergantung pada pesakit dan prosedur.
Menyesuaikan antara muka saraf melalui cetakan terus pada tengkorak memastikan setiap sistem disesuaikan secara unik dengan anatomi pesakit, meningkatkan keberkesanan dan keselesaan rawatan. Kaedah ini, yang menggunakan peletakan dan bahan yang tepat seperti logam cecair, boleh meningkatkan hasil pesakit dengan ketara dengan mengurangkan risiko ketidakpadanan mekanikal dan tindak balas tisu seterusnya.
Sistem Antara Muka Neural Baharu Yang Menawarkan Fleksibiliti Berbilang Komponen
Penyelidik kini telah mencetak probe saraf, papan litar, dan elektronik subsidiari terus ke otak dan tengkorak dalam usaha untuk memenuhi permintaan penyesuaian dan elektronik lembut. Hasilnya ialah sistem antara muka neural yang lembut dan selaras yang boleh memantau aktiviti unit tunggal neuron dengan kestabilan jangka panjang. Komponen sistem antara muka saraf telah dicetak menggunakan aloi gallium-indium eutektik (EGaIn; 75.5% galium, 24.5% indium mengikut berat), iaitu logam cecair berasaskan galium.
Probe neural lembut logam cecair yang dicetak mempunyai diameter berskala subselular, dengan panjang yang boleh disesuaikan, dan ia ditanam di dalam otak. Litar logam cecair, interkoneksi dan elektronik anak syarikat semuanya dicetak terus ke permukaan tengkorak, membolehkan sistem lengkap mempunyai penyepaduan selaras dengan badan dan biokompatibiliti yang lebih baik. Sistem litar yang dicetak pada tengkorak juga dapat menghantar isyarat saraf yang diukur secara wayarles ke telefon pintar. Isyarat probe neural juga dipertingkatkan dengan pembentukan nanocluster platinum pada probe neural pada antara muka neuron-probe.
Skala subselular probe neuron yang dicetak secara struktur dan mekanikal serupa dengan neuron. Panjang probe boleh dikawal dengan mencetak logam cecair melalui muncung kapilari, memastikan bahawa probe boleh diubah suai dengan tepat kepada pelbagai kedalaman dan kawasan otak bergantung pada prosedur dan kawasan yang menarik. Modulus lembut probe neuron yang dicetak dapat memulihkan sifat pengaliran elektriknya di bawah ubah bentuk yang melampau disebabkan oleh keupayaan penyembuhan sendiri logam cecair.
Penggunaan logam cecair dalam probe neural bukan sahaja membenarkan panjang boleh laras dan diameter skala subselular tetapi juga memperkenalkan peningkatan ketara dalam kekonduksian elektrik dan sifat mekanikal probe. Kebolehsuaian ini memastikan bahawa probe boleh dilaraskan dengan halus untuk menyasarkan kawasan tertentu otak, meningkatkan ketepatan strategi pemantauan dan rawatan saraf.
Kemajuan dalam Aplikasi Antara Muka Neural
Para penyelidik juga menunjukkan keupayaan untuk membentuk litar kecil dan konformal pada tengkorak tetikus hidup dan mengambil rakaman saraf tanpa wayar aktiviti otak. Probe digunakan untuk rakaman saraf dan ujian tingkah laku pada tikus yang bergerak bebas. Potensi medan tempatan (LFP) dan lonjakan unit tunggal merentasi kawasan otak yang berbeza telah disiasat dalam masa rakaman yang panjang selama 33 minggu—mempamerkan kebolehsuaian proses untuk mencipta antara muka saraf boleh cetak yang boleh digunakan untuk mengukur kawasan otak yang berbeza. merentasi tempoh masa yang lama tanpa degradasi.
Rakaman isyarat saraf dilakukan menggunakan kedua-duanya Wi-Fi dan sistem komunikasi medan dekat (NFC). Memasukkan sistem komunikasi NFC ke dalam kulit kepala mencapai hasil yang positif dan pemindahan data untuk analisis. Sebaliknya, pendekatan Wi-Fi tidak begitu berjaya kerana komponennya tidak seintegratif ke dalam badan seperti pendekatan NFC. Ini kerana platform didayakan Wi-Fi yang dicetak adalah lebih besar dan mempunyai keperluan bateri yang besar.
Terdapat banyak kejayaan dalam mencipta sistem antara muka saraf boleh cetak yang lengkap terus ke tengkorak. Cabaran dengan platform Wi-Fi membuka kemungkinan penyelidikan lanjut di kawasan itu ke arah mencipta bateri boleh cetak yang lebih cekap menggunakan biobendalir sebagai elektrolit. Keupayaan untuk mencipta kedua-dua antara muka saraf lembut dan litar selaras pada tisu biologi lembut juga boleh membantu memajukan kedua-dua bidang neurosains dan bioelektronik pada tahun-tahun akan datang.
rujukan:
Park JU. et al., Penyepaduan in-vivo probe saraf lembut melalui pencetakan elektronik cecair beresolusi tinggi pada tengkorak, Alam Komunikasi, 15, (2024), 1772.