Direkt ins Gehirn:Eine multifunktionale und flexible neuronale 3D-Schnittstelle

Obwohl die Messung der elektrischen Aktivität von Neuronen in vielen Disziplinen nützlich ist, hat sich die Herstellung von dauerhaften neuralen Schnittstellen-Gehirnchip-Implantaten mit vernachlässigbaren Nebenwirkungen als schwierig erwiesen. Jetzt haben koreanische Wissenschaftler eine flexible multifunktionale neuronale Schnittstelle entwickelt, die nicht nur lokale Gehirnaktivitäten in Echtzeit registrieren kann, sondern auch einen stetigen Fluss von Medikamenten durch innovative mikrofluidische Kanäle liefert, wodurch Gewebereaktionen auf den Chip reduziert werden. Ihr Design könnte breite Anwendung in den Neurowissenschaften und der Neuromedizin finden.

Die Möglichkeit, die elektrische Aktivität des Gehirns zu messen, hat uns in den letzten Jahrzehnten zu einem viel besseren Verständnis der Prozesse, Funktionen und Krankheiten des Gehirns verholfen. Bisher wurde ein Großteil dieser Aktivität über Elektroden gemessen, die auf der Kopfhaut platziert wurden (durch Elektroenzephalographie (EEG)); In der Lage zu sein, Signale direkt aus dem Inneren des Gehirns selbst (über neuronale Schnittstellengeräte) während der Aktivitäten des täglichen Lebens zu erfassen, könnte die Neurowissenschaft und Neuromedizin jedoch auf eine völlig neue Ebene heben. Ein großer Rückschlag für diesen Plan ist, dass sich die Implementierung neuronaler Schnittstellen leider als bemerkenswert herausfordernd erwiesen hat.

Die Materialien der winzigen Elektroden, die mit den Neuronen in Kontakt treten, sowie die aller Verbindungsstücke sollten flexibel und dennoch langlebig genug sein, um der relativ rauen Umgebung im Körper standzuhalten. Frühere Versuche, langlebige Gehirnschnittstellen zu entwickeln, haben sich als schwierig erwiesen, da die natürlichen biologischen Reaktionen des Körpers, wie z. B. Entzündungen, die elektrische Leistung der Elektroden im Laufe der Zeit verschlechtern. Aber was wäre, wenn wir einen praktischen Weg hätten, entzündungshemmende Medikamente lokal dort zu verabreichen, wo die Elektroden Kontakt mit dem Gehirn haben?

Das Forscherteam hat eine neuartige multifunktionale Gehirnschnittstelle entwickelt, die gleichzeitig neuronale Aktivität registrieren und flüssige Medikamente an die Implantationsstelle liefern kann. Im Gegensatz zu bestehenden starren Geräten hat ihr Design eine flexible 3D-Struktur, in der eine Anordnung von Mikronadeln verwendet wird, um mehrere neuronale Signale über einen Bereich zu sammeln, während dünne metallische Leiter diese Signale zu einem externen Schaltkreis übertragen. Einer der bemerkenswertesten Aspekte dieser Studie ist, dass es den Wissenschaftlern durch strategisches Stapeln und Mikrobearbeiten mehrerer Polymerschichten gelang, mikrofluidische Kanäle auf einer Ebene parallel zu den Leiterbahnen einzubauen. Diese Kanäle sind mit einem kleinen Reservoir verbunden (das die zu verabreichenden Medikamente enthält) und können einen stetigen Flüssigkeitsstrom zu den Mikronadeln transportieren.

Das Team validierte seinen Ansatz durch Brain-Interface-Experimente an lebenden Ratten, gefolgt von einer Analyse der Wirkstoffkonzentration im Gewebe um die Nadeln herum.

Die Entwicklung langlebiger multifunktionaler Gehirnschnittstellen hat Auswirkungen auf mehrere Disziplinen. „Unser Gerät eignet sich möglicherweise für Gehirn-Maschine-Schnittstellen, die es gelähmten Menschen ermöglichen, Roboterarme oder -beine mit ihren Gedanken zu bewegen, und für die Behandlung neurologischer Erkrankungen mit elektrischer und/oder chemischer Stimulation über Jahre hinweg“, sagte Dr. Yoo Na Kang von der Korea Institute of Machinery &Materials.