Een 3D multifunctionele en flexibele neurale interface

Door de elektrische activiteit van de hersenen te kunnen meten, hebben we de afgelopen decennia een veel beter begrip gekregen van de processen, functies en ziekten van de hersenen. Tot nu toe is veel van deze activiteit gemeten via elektroden die op de hoofdhuid zijn geplaatst (via elektro-encefalografie (EEG)); echter, in staat zijn om signalen rechtstreeks vanuit de hersenen zelf te verwerven (via neurale interface-apparaten) tijdens dagelijkse activiteiten, zou de neurowetenschap en neurogeneeskunde naar een volledig nieuw niveau kunnen tillen. Een grote tegenvaller van dit plan is dat het implementeren van neurale interfaces helaas een opmerkelijke uitdaging is gebleken.

De materialen die worden gebruikt in de minuscule elektroden die contact maken met de neuronen, evenals die van alle connectoren, moeten flexibel en toch duurzaam genoeg zijn om bestand te zijn tegen een relatief ruwe omgeving in het lichaam. Eerdere pogingen om langdurige herseninterfaces te ontwikkelen, zijn een uitdaging gebleken omdat de natuurlijke biologische reacties van het lichaam, zoals ontstekingen, de elektrische prestaties van de elektroden in de loop van de tijd verminderen. Maar wat als we een praktische manier hadden om ontstekingsremmende medicijnen lokaal toe te dienen waarbij de elektroden contact maken met de hersenen?

In een recente studie gepubliceerd in Microsystemen en nano-engineering, heeft een team van Koreaanse onderzoekers een nieuwe multifunctionele herseninterface ontwikkeld die tegelijkertijd neuronale activiteit kan registreren en vloeibare medicijnen op de implantatieplaats kan afleveren. In tegenstelling tot bestaande starre apparaten, heeft hun ontwerp een flexibele 3D-structuur waarin een reeks micronaalden wordt gebruikt om meerdere neurale signalen over een gebied te verzamelen, en dunne metalen geleidende lijnen dragen deze signalen naar een extern circuit. Een van de meest opmerkelijke aspecten van deze studie is dat de wetenschappers, door meerdere polymeerlagen strategisch te stapelen en micromachinaal te bewerken, erin slaagden om microfluïdische kanalen op te nemen in een vlak evenwijdig aan de geleidende lijnen. Deze kanalen zijn verbonden met een klein reservoir (dat de toe te dienen medicijnen bevat) en kunnen een gestage stroom vloeistof naar de micronaalden voeren.

Het team valideerde hun aanpak door middel van herseninterface-experimenten op levende ratten, gevolgd door een analyse van de geneesmiddelconcentratie in het weefsel rond de naalden. De algemene resultaten zijn veelbelovend, zoals Prof. Sohee Kim van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Korea, die de studie leidde, opmerkt: “De flexibiliteit en functionaliteiten van ons apparaat zullen helpen om het meer compatibel te maken met biologische weefsels en nadelige effecten verminderen, die allemaal bijdragen aan het verlengen van de levensduur van de neurale interface.”

De ontwikkeling van duurzame multifunctionele herseninterfaces heeft implicaties voor meerdere disciplines. “Ons apparaat is mogelijk geschikt voor interfaces tussen hersenen en machines, waardoor verlamde mensen robotarmen of -benen kunnen bewegen met behulp van hun gedachten, en voor de behandeling van neurologische aandoeningen door middel van elektrische en/of chemische stimulatie gedurende jaren”, zegt dr. Yoo Na Kang van de Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM), eerste auteur van de studie.