Ключевые вещи, которые нужно знать:
- Сложная нейронная динамика: Сложная сеть нейронов мозга необходима для всех функций организма, контролируя все: от моторики до памяти и сознания.
- Влияние несоответствия материалов: Традиционные нейронные зонды, изготовленные из жестких материалов, таких как кремний, могут вызывать механическое несоответствие интерфейса мозга, что приводит к потенциальному воспалению и проблемам смещения.
- Достижения в области нейронных зондов: В последних инновациях используются мягкие, гибкие материалы, такие как эвтектический сплав галлия-индия (EGaIn), которые точно соответствуют механическим свойствам ткани головного мозга, уменьшая побочные реакции и улучшая стабильность зонда.
- Настраиваемые и адаптируемые системы: Передовые методы включают печать компонентов нейронного интерфейса непосредственно на черепе, что позволяет создавать индивидуально настраиваемые и биосовместимые системы, которые повышают точность и долговечность нейронного мониторинга.
Мозг – самый сложный орган в организме. Это сложная трехмерная сеть нейронов, которые постоянно генерируют и передают сигналы для связи внутри себя и с остальным телом. Нейрональная активность мозга отвечает за все функции организма и на макроуровне контролирует функции организма, сознание и Память образование.
Сложность мозга означает, что любая небольшая аномалия внутри нейронов может иметь серьезные и серьезные последствия, в том числе привести к неврологическим расстройствам, таким как эпилепсия, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, депрессия и хроническая боль. Нейронный Зонды часто используются для проверки того, подвержен ли кто-либо риску возникновения этих расстройств, а также для мониторинга активности и прогрессирования любых расстройств после постановки диагноза. Это имплантируемые электронные устройства которые преобразуют нейронные ионные сигналы в электронные сигналы, позволяя картировать активность нейронов в различных областях мозга.
Проблемы традиционных материалов для нейронных зондов
Однако сегодня одна из проблем многих нейронных зондов заключается в том, что они основаны на твердых материалах, таких как металлы или кремний. Эти материалы имеют модуль упругости в районе сотен ГПа, что примерно на семь порядков превышает модуль упругости мозга. Это приводит к механическому несоответствию между зондом и мозгом. интерфейс что часто вызывает воспалительные реакции со стороны ткани головного мозга после имплантации. Эти воспалительные реакции часто приводят к смещению имплантата из предполагаемого места, поэтому необходимые данные не всегда фиксируются, и пациент также может испытывать дискомфорт.
Использование эвтектического галлия-индия (EGaIn) в нейронных зондах, как обсуждалось в недавних исследованиях, решает важнейшую проблему механического несоответствия, предлагая мягкий, гибкий материал, который сводит к минимуму раздражение тканей и воспалительные реакции. Это нововведение прокладывает путь к созданию более безопасных и удобных систем нейронного мониторинга.
Использование мягкой электроники помогает уменьшить механическое несоответствие и воспалительные реакции. Ряд исследований показал, что можно создать мягкие и гибкие нейронные зонды, которые будут лучше механически сочетаться с тканями головного мозга и уменьшать воспалительные реакции. Однако, несмотря на усовершенствование материалов самих зондов, они по-прежнему управляются громоздкой и жесткой электроникой, установленной внутри корпуса. Эти громоздкие системы могут привести к быстрому разрушению устройства в организме и со временем снизить эффективность мягких нейронных зондов. Чтобы полностью реализовать потенциал мягких и биосовместимых нейронных зондов, они должны сопровождаться электронными компонентами и платформой, которая также будет мягкой, эластичной и биосовместимой по своей природе.
Чтобы обеспечить более четкое понимание технологических достижений в области нейронных зондов, рисунок 1 из упомянутого исследования наглядно иллюстрирует процесс печати с высоким разрешением из жидкого металла, используемого для создания мягких, гибких нейронных зондов. Этот рисунок не только демонстрирует сложные детали конструкции зондов, но также подчеркивает точность и адаптируемость этого метода изготовления, которые имеют решающее значение для обеспечения совместимости и функциональности зондов в деликатной среде мозга.
a Схема системы печати жидким металлом. b СЭМ-изображения образцов жидкого металла с масштабными полосами 500 мкм (черный) и 50 мкм (белый). c График, показывающий зависимость ширины линий от внутреннего диаметра сопла, с полосами погрешностей, обозначающими стандартное отклонение. d Схема, показывающая сходство между мягким нервным зондом и нейроном. Врезка: схематический вид в разобранном виде. e СЭМ-изображение кончика зонда, окрашенное в парилен (зеленый) и PtB (желтый), масштабная полоса 10 мкм. f СЭМ PtB на кончике зонда, масштабная линейка 500 нм. g Импедансная спектроскопия EGaIn с покрытием PtB и без него; на вставке показано сопротивление на частоте 1 кГц. h Сравнение модулей упругости таких материалов, как кремний, золото, покрытия PEDOT и EGaIn, с ошибками стандартного отклонения. i Мониторинг сопротивления PtB/EGaIn в режиме реального времени во время отключения и повторного подключения. j Импеданс PtB/EGaIn при циклах отключения и повторного подключения.
Включение передовых материалов, таких как жидкие металлы, в электронику нейронных интерфейсов предлагает революционный подход к обеспечению мягкости и биосовместимости всей системы. Этот метод, подчеркнутый в недавних исследованиях, оптимизирует функциональную долговечность и эффективность имплантированных нейронных зондов.
Анализ совместимости всей системы нейронного интерфейса
Если рассматривать биосовместимость всей системы имплантатов, используемой для создания нейронного интерфейса, то можно отметить множество вспомогательных электронных компонентов, которые используются для сбора необработанных сигналов данных от нейронных зондов и передачи их от имплантата на внешний сервер в больнице. для анализа. Кроме того, плоская и жесткая форма печатных плат, которые соединяют датчики со вспомогательной электроникой, также ограничивает долгосрочное использование нейронных датчиков и со временем ухудшается из-за механического несоответствия с окружающей тканью.
Растягивающаяся электроника рассматривается как шаг вперед, поскольку она может имитировать естественную кривизну тела и не вызывать каких-либо механических несоответствий, которые способствуют воспалительным реакциям. Однако еще одним ключевым аспектом является то, что электроника, особенно монтажная плата, должна быть адаптирована к индивидуальному пациенту, поскольку именно печатная плата имеет наибольший контакт с окружающей тканью и оказывает наибольшее влияние на механическое несоответствие, выходящее за пределы зондирует себя. Электронные системы должны быть адаптированы к пациенту, поскольку череп и мозг каждого человека имеют разные размеры, а расположение нервных зондов будет разным в зависимости от того, какая область мозга анализируется. Итак, существует необходимость в разработке подходов, которые могли бы соответствовать этому уровню настраиваемого дизайна в зависимости от пациента и процедуры.
Настройка нейронных интерфейсов посредством прямой печати на черепе обеспечивает уникальную адаптацию каждой системы к анатомии пациента, повышая как эффективность, так и комфорт лечения. Этот метод, в котором используется точное размещение и такие материалы, как жидкие металлы, может значительно улучшить результаты лечения пациентов за счет снижения риска механического несоответствия и последующей реакции тканей.
Новая система нейронного интерфейса, обеспечивающая многокомпонентную гибкость
В настоящее время исследователи начали печатать нейронные зонды, печатные платы и вспомогательную электронику непосредственно на мозге и черепе, стремясь удовлетворить потребности в настраиваемости и мягкой электронике. Результатом является мягкая и гибкая система нейронного интерфейса, которая может отслеживать активность отдельных нейронов с долгосрочной стабильностью. Компоненты системы нейроинтерфейса были напечатаны с использованием эвтектического сплава галлия и индия (EGaIn; 75.5% галлия, 24.5% индия по массе), который представляет собой жидкий металл на основе галлия.
Мягкие нервные зонды из жидкого металла, которые были напечатаны, имели диаметр субклеточного масштаба и регулируемую длину, и их имплантировали в мозг. Жидкометаллические схемы, межсоединения и вспомогательная электроника были напечатаны непосредственно на поверхности черепа, что позволило всей системе иметь конформную интеграцию с телом и лучшую биосовместимость. Схема системы, напечатанная на черепе, также могла передавать измеренный нейронный сигнал по беспроводной сети на смартфон. Сигналы нейронных зондов также усиливались за счет образования нанокластеров платины на нервных зондах на границе раздела нейрон-зонд.
Субклеточный масштаб напечатанных нейрональных зондов был структурно и механически подобен нейронам. Длину зондов можно будет контролировать путем печати жидкого металла через капиллярное сопло, гарантируя, что зонды можно будет точно модифицировать для различных глубин и областей мозга в зависимости от процедуры и интересующих областей. Мягкий модуль напечатанных нейронных зондов смог восстановить свои свойства электропроводности при экстремальной деформации благодаря способности жидкого металла к самовосстановлению.
Применение жидкого металла в нейронных зондах не только позволяет регулировать длину и диаметр субклеточного масштаба, но также значительно улучшает электропроводность и механические свойства зондов. Такая адаптивность гарантирует, что датчики можно точно настроить для воздействия на определенные области мозга, повышая точность нейронного мониторинга и стратегий лечения.
Достижения в области приложений нейронного интерфейса
Исследователи также продемонстрировали способность формировать миниатюрные и конформные цепи на черепе живой мыши и провели беспроводную нейронную запись активности мозга. Зонды использовались для записи нейронов и поведенческого тестирования на свободно движущихся мышах. Потенциалы локального поля (LFP) и единичные всплески в различных областях мозга исследовались в течение длительного времени записи, составляющего 33 недели, что демонстрирует адаптируемость процесса для создания печатных нейронных интерфейсов, которые можно использовать для измерения различных областей мозга. в течение длительного периода времени без деградации.
Запись нейронных сигналов осуществлялась с использованием обоих Wi-Fi и система связи ближнего поля (NFC). Встраивание системы связи NFC в кожу головы позволило добиться положительных результатов и передачи данных для анализа. С другой стороны, подход Wi-Fi оказался не таким успешным, поскольку компоненты не были настолько интегрированы в тело, как подход NFC. Это связано с тем, что печатная платформа с поддержкой Wi-Fi была больше и требовала громоздких батарей.
Был достигнут большой успех в создании полных систем нейронного интерфейса, которые можно распечатать непосредственно на черепе. Проблемы, связанные с платформой Wi-Fi, открывают возможность дальнейших исследований в этой области, направленных на создание более эффективных батарей для печати, использующих биожидкости в качестве электролита. Способность создавать как мягкие нейронные интерфейсы, так и конформные схемы на мягких биологических тканях также может помочь развитию нейробиологии и биоэлектроники в ближайшие годы.
Ссылка:
Парк Ю. и др., Интеграция мягких нейронных зондов in vivo посредством печати жидкой электроники с высоким разрешением на черепе, Природа связи, 15, (2024), 1772.