Istraživači sa Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu razvili su nervni implantat koji pruža informacije o aktivnosti duboko u mozgu dok sedi na njegovoj površini. Implantat se sastoji od tanke, providne i fleksibilne polimerne trake koja je prepuna gustog niza grafenskih elektroda. Tehnologija, testirana na transgenim miševima, dovodi istraživače korak bliže izgradnji minimalno invazivnog interfejsa između mozga i računara (BCI) koji obezbeđuje podatke visoke rezolucije o dubokoj neuronskoj aktivnosti korišćenjem snimaka sa površine mozga.
Rad je objavljen u časopisu Nanotehnologija prirode.
„Ovom tehnologijom proširujemo prostorni domet neuronskih snimaka“, rekao je viši autor studije Duigu Kuzum, profesor na Odseku za elektrotehniku i računarstvo na UC San Diego Jacobs School of Engineering. „Iako se naš implantat nalazi na površini mozga, njegov dizajn prevazilazi granice fizičkog osećaja u tome što može zaključiti neuronsku aktivnost iz dubljih slojeva.“
Ovaj rad prevazilazi ograničenja trenutnih tehnologija neuronskih implantata. Postojeći površinski nizovi, na primer, su minimalno invazivni, ali im nedostaje sposobnost da uhvate informacije izvan spoljašnjih slojeva mozga. Nasuprot tome, nizovi elektroda sa tankim iglicama koje prodiru u mozak su u stanju da istražuju dublje slojeve, ali često dovode do upale i ožiljaka, kompromitujući kvalitet signala tokom vremena.
Novi neuronski implant razvijen u UC San Diego nudi najbolje iz oba sveta.
Implantat je tanka, providna i fleksibilna polimerna traka koja se prilagođava površini mozga. Traka je ugrađena sa nizom sićušnih, kružnih grafenskih elektroda visoke gustine, od kojih svaka ima prečnik od 20 mikrometara. Svaka elektroda je povezana mikrometarskom tankom grafenskom žicom na ploču.
U testovima na transgenim miševima, implant je omogućio istraživačima da uhvate informacije visoke rezolucije o dve vrste neuronske aktivnosti – električnoj aktivnosti i aktivnosti kalcijuma – u isto vreme. Kada se postavi na površinu mozga, implantat je snimao električne signale od neurona u spoljašnjim slojevima. U isto vreme, istraživači su koristili dvofotonski mikroskop da sijaju lasersku svetlost kroz implantat da bi snimili šiljke kalcijuma iz neurona koji se nalaze duboko do 250 mikrometara ispod površine.
Istraživači su otkrili korelaciju između površinskih električnih signala i skokova kalcijuma u dubljim slojevima. Ova korelacija je omogućila istraživačima da koriste površinske električne signale za obuku neuronskih mreža za predviđanje aktivnosti kalcijuma – ne samo za velike populacije neurona, već i za pojedinačne neurone – na različitim dubinama.
„Model neuronske mreže je obučen da nauči odnos između površinskih električnih snimaka i aktivnosti kalcijumovih jona neurona na dubini“, rekao je Kuzum. „Kada nauči taj odnos, možemo koristiti model da predvidimo dubinsku aktivnost sa površine.“
Prednost mogućnosti da se predvidi aktivnost kalcijuma iz električnih signala je u tome što prevazilazi ograničenja eksperimenata sa slikama. Kada se snimaju šiljci kalcijuma, glava subjekta mora biti fiksirana pod mikroskopom. Takođe, ovi eksperimenti mogu trajati samo sat ili dva u isto vreme.
„Pošto električni snimci nemaju ova ograničenja, naša tehnologija omogućava izvođenje eksperimenata dužeg trajanja u kojima se subjekt može slobodno kretati i obavljati složene zadatke ponašanja“, rekao je prvi autor studije Mehrdad Ramezani, inženjer elektrotehnike i računarstva. Dr. student u Kuzumovoj laboratoriji. „Ovo može pružiti sveobuhvatnije razumevanje neuronske aktivnosti u dinamičkim scenarijima iz stvarnog sveta.“
Tehnologija duguje svoj uspeh nekoliko inovativnih karakteristika dizajna: transparentnost i visoka gustina elektroda u kombinaciji sa metodama mašinskog učenja.
„Ova nova generacija prozirnih grafenskih elektroda ugrađenih sa visokom gustinom omogućava nam da uzorkujemo neuronsku aktivnost sa višom prostornom rezolucijom“, rekao je Kuzum. „Kao rezultat toga, kvalitet signala se značajno poboljšava. Ono što ovu tehnologiju čini još izuzetnijom je integracija metoda mašinskog učenja, koje omogućavaju predviđanje duboke neuronske aktivnosti iz površinskih signala.“
Ova studija je bila zajednički napor više istraživačkih grupa na UC San Diego. Tim, koji predvodi Kuzum, koji je specijalizovan za razvoj multimodalnih neuronskih interfejsa, uključuje profesora nanoinženjeringa Ertugrula Cubukcua, koji je specijalizovan za napredne tehnike mikro- i nanofabrikacije za grafenske materijale; profesor elektrotehnike i računarstva Vikaš Gilja, čija laboratorija integriše znanja specifična iz domena iz oblasti osnovne neuronauke, obrade signala i mašinskog učenja za dekodiranje neuronskih signala; i profesor neurobiologije i neuronauka Takaki Komiiama, čija se laboratorija fokusira na istraživanje mehanizama neuronskih kola koji leže u osnovi fleksibilnog ponašanja.
Transparentnost je jedna od ključnih karakteristika ovog nervnog implantata. Tradicionalni implantati koriste neprozirne metalne materijale za svoje elektrode i žice, koji blokiraju pogled na neurone ispod elektroda tokom eksperimenata snimanja. Nasuprot tome, implantat napravljen korišćenjem grafena je providan, što pruža potpuno jasno vidno polje za mikroskop tokom eksperimenata snimanja.
„Besprekorna integracija snimanja električnih signala i optičkog snimanja neuronske aktivnosti u isto vreme moguća je samo sa ovom tehnologijom“, rekao je Kuzum. „Mogućnost da sprovedemo oba eksperimenta u isto vreme daje nam relevantnije podatke jer možemo videti kako su eksperimenti snimanja vremenski povezani sa električnim snimcima.“
Da bi implant bio potpuno transparentan, istraživači su koristili super tanke, dugačke grafenske žice umesto tradicionalnih metalnih žica za povezivanje elektroda sa štampanom pločom. Međutim, izrada jednog sloja grafena kao tanke, dugačke žice je izazovna jer će svaki nedostatak učiniti žicu nefunkcionalnom, objasnio je Ramezani. „Možda postoji praznina u grafenskoj žici koja sprečava električni signal da teče kroz njega, tako da u suštini završite sa slomljenom žicom.“
Istraživači su se pozabavili ovim pitanjem koristeći pametnu tehniku. Umesto da proizvode žice kao jedan sloj grafena, oni su ih proizveli kao dvostruki sloj dopiran azotnom kiselinom u sredini.
„Postojeći dva sloja grafena jedan na drugom, postoji velika šansa da će defekti u jednom sloju biti maskirani drugim slojem, osiguravajući stvaranje potpuno funkcionalnih, tankih i dugih žica grafena sa poboljšanom provodljivošću“, rekao je Ramezani.
Prema istraživačima, ova studija pokazuje najgušće zbijeni niz providnih elektroda na neuralnom implantatu koji se nalazi na površini do sada. Postizanje visoke gustine zahtevalo je izradu izuzetno malih grafenskih elektroda. Ovo je predstavljalo značajan izazov, jer smanjenje veličine grafenskih elektroda povećava njihovu impedanciju – ovo ometa protok električne struje potrebne za snimanje neuronske aktivnosti.
Da bi prevazišli ovu prepreku, istraživači su koristili tehniku mikrofabrikacije koju je razvila Kuzumova laboratorija koja uključuje deponovanje nanočestica platine na grafenske elektrode. Ovaj pristup je značajno poboljšao protok elektrona kroz elektrode, zadržavajući ih sitnim i transparentnim.
Tim će se sledeće fokusirati na testiranje tehnologije na različitim životinjskim modelima, sa krajnjim ciljem prevođenja na ljude u budućnosti.
Kuzumova istraživačka grupa je takođe posvećena korišćenju tehnologije za unapređenje fundamentalnih neuronaučnih istraživanja. U tom duhu, oni dele tehnologiju sa laboratorijama širom SAD i Evrope, doprinoseći različitim studijama koje se kreću od razumevanja kako je vaskularna aktivnost povezana sa električnom aktivnošću u mozgu do istraživanja kako su ćelije mesta u mozgu tako efikasne u stvaranju prostorne memorije. .
„Ova tehnologija se može koristiti za toliko različitih fundamentalnih neuronaučnih istraživanja, a mi smo željni da učinimo svoj deo kako bismo ubrzali napredak u boljem razumevanju ljudskog mozga“, rekao je Kuzum.
