Forscher entwickeln implantierbares Gerät, das über Monate hinweg eine Sammlung von individuellen Neuronen aufzeichnen kann.

26. Januar 2024

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von Leah Burrows, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Die Aufzeichnung der Aktivität großer Populationen einzelner Neuronen im Gehirn über lange Zeiträume ist entscheidend, um unser Verständnis neuronaler Schaltkreise zu erweitern, neuartige medizinische Gerätetherapien zu ermöglichen und in Zukunft hochauflösende elektrophysiologische Informationen für Gehirn-Computer-Schnittstellen bereitzustellen.

Aber heute gibt es einen Kompromiss zwischen der Menge an hochauflösender Information, die ein implantiertes Gerät messen kann, und der Dauer, in der es Aufzeichnungen oder Stimulationen durchführen kann. Rigid, siliziumbasierte Implantate mit vielen Sensoren können eine Menge Informationen sammeln, können sich aber nicht lange im Körper halten. Flexible, kleinere Geräte sind weniger störend und können länger im Gehirn verbleiben, liefern jedoch nur einen Bruchteil der verfügbaren neuralen Informationen.

Kürzlich hat ein interdisziplinäres Forscherteam der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Zusammenarbeit mit der University of Texas in Austin, dem MIT und Axoft, Inc. ein weiches implantierbares Gerät mit Dutzenden von Sensoren entwickelt, das über Monate hinweg die Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn stabil aufzeichnen kann.

Die Forschung wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

'Wir haben Gehirn-Elektronik-Schnittstellen mit Einzelzellauflösung entwickelt, die biologisch verträglicher sind als herkömmliche Materialien,' sagte Paul Le Floch, Erstautor der Studie und ehemaliger Doktorand im Labor von Jia Liu, Assistenzprofessor für Bioengineering an der SEAS. 'Diese Arbeit hat das Potenzial, das Design von Bioelektronik für neuronale Aufzeichnung und Stimulation sowie für Gehirn-Computer-Schnittstellen zu revolutionieren.'

Le Floch ist derzeit CEO von Axoft, Inc., einem Unternehmen, das 2021 von Le Floch, Liu und Tianyang Ye, einem ehemaligen Doktoranden und Postdoktoranden in der Park-Gruppe an der Harvard University gegründet wurde. Die Harvard Office of Technology Development hat das mit dieser Forschung verbundene geistige Eigentum geschützt und die Technologie an Axoft zur weiteren Entwicklung lizenziert.

Um den Kompromiss zwischen hoher Auflösungsrate der Daten und Langlebigkeit zu überwinden, wandten sich die Forscher einer Gruppe von Materialien zu, die als fluorierte Elastomere bekannt sind. Fluorierte Materialien, wie Teflon, sind widerstandsfähig, beständig in Bioflüssigkeiten, weisen eine ausgezeichnete langfristige Dielektrizitätsleistung auf und sind mit standardmäßigen Mikrofabrikationstechniken kompatibel.

Die Forscher integrierten diese fluorierten dielektrischen Elastomere mit Stapeln von weichen Mikroelektroden - insgesamt 64 Sensoren - um eine langlebige Sonde zu entwickeln, die 10.000-mal weicher ist als herkömmliche flexible Sonden aus Materialien wie Polyimid oder Parylen C.

Das Team demonstrierte das Gerät in vivo und zeichnete über mehrere Monate hinweg neurologische Informationen aus Gehirn und Rückenmark von Mäusen auf.

'Unsere Forschung zeigt, dass es durch sorgfältige Konstruktion verschiedener Faktoren möglich ist, neuartige Elastomere für langzeitstabile neuronale Schnittstellen zu entwerfen,' sagte Liu, der korrespondierende Autor der Studie. 'Diese Studie könnte die Palette der Designmöglichkeiten für neuronale Schnittstellen erweitern.'

Das interdisziplinäre Forschungsteam umfasste auch die SEAS-Professoren Katia Bertoldi, Boris Kozinsky und Zhigang Suo.

'Das Design neuer neuronaler Sonden und Schnittstellen ist ein sehr interdisziplinäres Problem, das Fachkenntnisse in Biologie, Elektrotechnik, Materialwissenschaften, Maschinenbau und Chemie erfordert', sagte Le Floch.

Die Forschung wurde von Siyuan Zhao, Ren Liu, Nicola Molinari, Eder Medina, Hao Shen, Zheliang Wang, Junsoo Kim, Hao Sheng, Sebastian Partarrieu, Wenbo Wang, Chanan Sessler, Guogao Zhang, Hyunsu Park, Xian Gong, Andrew Spencer, Jongha Lee, Tianyang Ye, Xin Tang, Xiao Wang und Nanshu Lu gemeinsam verfasst.

Journalinformation: Nature Nanotechnology

Bereitgestellt von der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences