Koreaanse wetenschappers onthullen flexibele 3D-neurale interface: real-time hersenmonitoring en gecontroleerde medicijntoediening

Hoewel het meten van de elektrische activiteit van neuronen nuttig is in veel disciplines, heeft het maken van duurzame neurale interface-hersenchiplanten met verwaarloosbare bijwerkingen zich als uitdagend bewezen. Nu hebben Koreaanse wetenschappers een flexibele multifunctionele neurale interface ontwikkeld die niet alleen lokale hersenactiviteit in real-time kan registreren, maar ook een constante stroom geneesmiddelen kan toedienen via innovatieve microfluïdische kanalen, wat weefselreacties op de chip vermindert. Hun ontwerp kan wijdverspreide toepassing vinden in de neurowetenschappen en neuromedicijnen.

In staat te zijn om de elektrische activiteit van de hersenen te meten, heeft ons geholpen om de afgelopen decennia een veel beter begrip te krijgen van de processen, functies en ziekten van de hersenen. Tot nu toe is veel van deze activiteit gemeten via elektroden op de schedel (via electro-encefalografie (EEG)); echter, in staat te zijn om signalen direct uit de hersenen zelf te verkrijgen (via neurale interface-apparaten) tijdens dagelijkse activiteiten zou de neurowetenschappen en neuromedicijnen naar volledig nieuwe niveaus kunnen tillen. Een grote tegenslag voor dit plan is dat het implementeren van neurale interfaces zich als opmerkelijk uitdagend heeft bewezen.

De materialen die gebruikt worden in de miniscule elektroden die contact maken met de neuronen, alsook die van alle connectors, moeten flexibel maar toch duurzaam genoeg zijn om de relatief vijandige omgeving in het lichaam te weerstaan. Eerdere pogingen om langdurige herseninterfaces te ontwikkelen zijn mislukt omdat de natuurlijke biologische reacties van het lichaam, zoals ontsteking, de elektrische prestaties van de elektroden na verloop van tijd afbreken. Maar wat als we een praktische manier hadden om lokaal anti-inflammatoire geneesmiddelen te administreren waar de elektroden contact maken met de hersenen?

Het team van onderzoekers heeft een nieuwe multifunctionele herseninterface ontwikkeld die gelijktijdig neurale activiteit kan registreren en vloeibare geneesmiddelen kan toedienen aan de implantatieplaats. In tegenstelling tot bestaande starre apparaten, heeft hun ontwerp een flexibele 3D-structuur waarin een array van micronalden wordt gebruikt om meerdere neurale signalen over een gebied te verzamelen, terwijl dunne metallische geleidende lijnen deze signalen naar een extern circuit dragen. Een van de meest opvallende aspecten van deze studie is dat, door strategisch meerdere polymere lagen te stapelen en te micromachineen, de wetenschappers erin slaagden om microfluïdische kanalen op een vlak parallel aan de geleidende lijnen te integreren. Deze kanalen zijn verbonden met een klein reservoir (dat de toe te dienen geneesmiddelen bevat) en kunnen een constante stroom vloeistof naar de micronalden transporteren.

Het team valideerde hun benadering door middel van herseninterface-experimenten op levende ratten, gevolgd door een analyse van de geneesmiddelconcentratie in het weefsel rond de nalden.

De ontwikkeling van duurzame multifunctionele herseninterfaces heeft implicaties voor meerdere disciplines. "Ons apparaat kan geschikt zijn voor hersen-machine-interfaces, die gelummeerde mensen in staat stellen robotische armen of benen te bewegen met hun gedachten, en voor het behandelen van neurologische ziekten met behulp van elektrische en/of chemische stimulatie over jaren," zei Dr. Yoo Na Kang van het Korea Institute of Machinery & Materials.