Onderzoekers pionieren met nanoprintelektroden voor aangepaste behandelingen van neurologische aandoeningen

Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben de CMU-array ontwikkeld – een nieuw type micro-elektrode-array voor interfaceplatforms voor hersencomputers. Het heeft het potentieel om de manier waarop artsen neurologische aandoeningen kunnen behandelen te transformeren.

De ultra-high-density micro-elektrode-array (MEA), die op nanoschaal 3D-geprint is, is volledig aanpasbaar. Dit betekent dat patiënten die lijden aan epilepsie of verlies van ledematen als gevolg van een beroerte op een dag een gepersonaliseerde medische behandeling kunnen krijgen die is afgestemd op hun individuele behoeften.

De samenwerking combineert de expertise van Rahul Panat, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en Eric Yttri, universitair docent biologische wetenschappen. Het team paste de nieuwste microfabricagetechniek toe, Aerosol Jet 3D-printen, om arrays te produceren die de belangrijkste ontwerpbarrières van andere Brain Computer Interface (BCI) arrays oplosten. De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang.

“Aerosol Jet 3D-printen bood drie grote voordelen”, legt Panat uit. “Gebruikers kunnen hun MEA’s aanpassen aan specifieke behoeften; de MEA’s kunnen in drie dimensies in de hersenen werken, en de dichtheid van de MEA wordt verhoogd en daarom robuuster.”

Op MEA gebaseerde BCI’s verbinden neuronen in de hersenen met externe elektronica om hersenactiviteit te volgen of te stimuleren. Ze worden vaak gebruikt in toepassingen zoals neuroprothetische apparaten, kunstmatige ledematen en visuele implantaten om informatie van de hersenen naar ledematen te transporteren die hun functionaliteit hebben verloren. BCI’s hebben ook potentiële toepassingen bij de behandeling van neurologische ziekten zoals epilepsie, depressie en obsessief-compulsieve stoornis. Bestaande apparaten hebben echter beperkingen.

Er zijn twee soorten populaire BCI-apparaten. De oudste MEA is de Utah-array, ontwikkeld aan de Universiteit van Utah en gepatenteerd in 1993. Deze op siliconen gebaseerde array maakt gebruik van een veld van kleine pinnen of schachten die rechtstreeks in de hersenen kunnen worden ingebracht om elektrische ontlading van neuronen aan de punt van elke pin.

Een ander type is de Michigan-array, die wordt afgedrukt op platte, delicate siliconenchips. Het leest de elektronen terwijl ze over de chips schieten. Vanwege ontwerpbeperkingen kunnen beide arrays alleen opnemen op een tweedimensionaal vlak. Dat betekent dat ze niet kunnen worden aangepast aan de behoeften van elke patiënt of toepassing.

Het belangrijkste aspect van een MEA is het driedimensionale bemonsteringsvermogen, dat wordt beperkt door de dichtheid van micro-elektroden in de array en de mogelijkheid om deze arrays precies op de plek te positioneren die men wil waarnemen. Moderne MEA-productietechnieken hebben enorme vooruitgang geboekt met betrekking tot de dichtheid van deze micro-elektrode-arrays. Het toevoegen van de derde dimensie verhoogt het bemonsteringsvermogen van de arrays aanzienlijk. Bovendien zorgen op maat gemaakte MEA’s voor elke specifieke toepassing voor nauwkeurigere en betrouwbaardere metingen.

De CMU Array van de onderzoekers is de dichtste BCI, ongeveer een orde van grootte dichter dan Utah Array BCI’s.

Er is vraag naar MEA’s van hogere kwaliteit. MEA’s die worden gebruikt voor het aansturen van virtuele acties op een computer of complexe bewegingen van ledematen lopen tegen de beperkingen van de huidige technologie aan. Meer geavanceerde toepassingen vereisen MEA’s die zijn aangepast aan elk individu en veel betrouwbaarder zijn dan wat momenteel beschikbaar is.

“Binnen enkele dagen kunnen we nu een precisiemedicijnapparaat produceren dat is afgestemd op de behoeften van een patiënt of experimentator”, zegt Yttri, co-senior auteur van het onderzoek. Bovendien, terwijl technologieën zoals visuele cortexstimulatie en kunstmatige ledematencontrole met succes door het publiek worden gebruikt, zou het kunnen personaliseren van het controlesysteem in de hersenen de weg vrijmaken voor enorme vooruitgang in het veld.

Panat voorspelt dat het vijf jaar kan duren om menselijke tests te zien, en zelfs langer om commercieel gebruik te zien. Het team is verheugd om dit succesvolle proces naar andere onderzoekers in het veld te sturen om te beginnen met het testen van een breed scala aan toepassingen.

Een patent op de CMU Array-architectuur en productiemethode is in behandeling. De volgende stap, zegt Panat, is om samen te werken met de National Institutes of Health (NIH) en andere zakenpartners om deze bevindingen zo snel mogelijk in andere laboratoria te krijgen en financiering aan te vragen om deze technologie op de markt te brengen.