وبلاگ

محققان دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو یک ایمپلنت عصبی ابداع کرده‌اند که اطلاعاتی در مورد فعالیت‌های اعماق مغز در حالی که روی سطح آن می‌نشیند، ارائه می‌کند. این ایمپلنت از یک نوار پلیمری نازک، شفاف و انعطاف پذیر تشکیل شده است که با مجموعه ای متراکم از الکترودهای گرافن بسته بندی شده است. این فناوری که بر روی موش‌های تراریخته آزمایش شده است، محققان را یک قدم به ساخت یک رابط مغز و کامپیوتر با حداقل تهاجم نزدیک‌تر می‌کند که با استفاده از ضبط‌شده از سطح مغز، داده‌هایی با وضوح بالا در مورد فعالیت عصبی عمیق ارائه می‌دهد.

این اثر در 11 ژانویه منتشر شد فناوری نانو طبیعی.

Duigu Kuzum، نویسنده اصلی این مطالعه، استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی UC San Diego Jacobs گفت: “ما در حال گسترش دامنه فضایی ضبط های عصبی با این فناوری هستیم.” اگرچه ایمپلنت ما روی سطح مغز قرار دارد، اما طراحی آن فراتر از محدودیت‌های حس فیزیکی است، زیرا می‌تواند فعالیت عصبی را از لایه‌های عمیق‌تر استنتاج کند.

این کار بر محدودیت‌های فناوری‌های کاشت عصبی فعلی غلبه می‌کند. برای مثال، آرایه‌های سطحی موجود، کم تهاجمی هستند، اما توانایی جذب اطلاعات فراتر از لایه‌های بیرونی مغز را ندارند. در مقابل، آرایه‌هایی از الکترودهای سوزنی نازک که به مغز نفوذ می‌کنند، قادر به بررسی لایه‌های عمیق‌تر هستند، اما اغلب منجر به التهاب و زخم می‌شوند و کیفیت سیگنال را در طول زمان به خطر می‌اندازند.

یک ایمپلنت عصبی جدید که در UC San Diego ساخته شده است، بهترین های هر دو جهان را ارائه می دهد.

ایمپلنت یک نوار پلیمری نازک، شفاف و انعطاف پذیر است که با سطح مغز مطابقت دارد. این نوار با یک آرایه با چگالی بالا از الکترودهای گرافن کوچک و دایره‌ای شکل تعبیه شده است که هر کدام 20 میکرومتر قطر دارند. هر الکترود توسط یک سیم گرافن نازک میکرومتر به یک برد مدار چاپی متصل می شود.

در آزمایش‌هایی که روی موش‌های تراریخته انجام شد، این ایمپلنت به محققان این امکان را داد که اطلاعات با وضوح بالا در مورد دو نوع فعالیت عصبی – فعالیت الکتریکی و فعالیت کلسیم – را به طور همزمان ضبط کنند. هنگامی که ایمپلنت روی سطح مغز قرار می گیرد، سیگنال های الکتریکی نورون های لایه های بیرونی را ثبت می کند. در همان زمان، محققان از یک میکروسکوپ دو فوتونی برای تابش نور لیزر از طریق ایمپلنت برای تصویربرداری از اسپک های کلسیم از نورون هایی که تا عمق 250 میکرومتری زیر سطح قرار دارند، استفاده کردند. محققان ارتباطی بین سیگنال های الکتریکی سطحی و سنبله های کلسیم در لایه های عمیق تر پیدا کردند. این همبستگی به محققان اجازه داد تا از سیگنال‌های الکتریکی سطحی برای آموزش شبکه‌های عصبی برای پیش‌بینی فعالیت کلسیم – نه تنها برای جمعیت‌های بزرگ نورون‌ها، بلکه برای سلول‌های عصبی منفرد – در اعماق مختلف استفاده کنند.

کوزوم گفت: “مدل شبکه عصبی برای یادگیری رابطه بین ضبط های الکتریکی سطحی و فعالیت یون کلسیم نورون ها در عمق آموزش داده شد.” هنگامی که این رابطه آموخته شد، می توانیم از مدل برای پیش بینی عمق فعالیت از سطح استفاده کنیم.

مزیت پیش‌بینی فعالیت کلسیم از طریق سیگنال‌های الکتریکی این است که بر محدودیت‌های آزمایش‌های تصویربرداری غلبه می‌کند. هنگام تصویربرداری از سنبله های کلسیم، سر سوژه باید زیر میکروسکوپ ثابت شود. همچنین، این آزمایش‌ها می‌توانند هر بار فقط یک یا دو ساعت طول بکشند.

مهرداد رمضانی، یکی از نویسندگان این مطالعه، دانشیار مهندسی برق و کامپیوتر، دکتری، گفت: «از آنجایی که ضبط‌های الکتریکی این محدودیت‌ها را ندارند، فناوری ما انجام آزمایش‌های طولانی‌تری را امکان‌پذیر می‌سازد که در آن آزمودنی آزادانه حرکت کند و وظایف رفتاری پیچیده‌ای را انجام دهد. D. دانش آموز در آزمایشگاه کوزوم. “این می تواند درک جامع تری از فعالیت عصبی در سناریوهای دینامیکی دنیای واقعی ارائه دهد.”

طراحی و ساخت ایمپلنت عصبی

این فناوری موفقیت خود را مدیون چندین ویژگی طراحی نوآورانه است: شفافیت و تراکم الکترود بالا، همراه با روش های یادگیری ماشین.

کوزوم گفت: «این نسل جدید از الکترودهای گرافن شفاف جاسازی شده با چگالی بالا به ما اجازه می دهد تا از فعالیت های عصبی با وضوح فضایی بالاتر نمونه برداری کنیم. “در نتیجه، کیفیت سیگنال ها به طور قابل توجهی بهبود می یابد. چیزی که این فناوری را قابل توجه تر می کند، ادغام روش های یادگیری ماشینی است که پیش بینی فعالیت عصبی عمیق از سیگنال های سطحی را ممکن می کند.

این مطالعه یک تلاش مشترک بین چندین گروه تحقیقاتی در UC San Diego بود. تیم تحت رهبری کوزوم، یکی از رهبران جهانی در توسعه رابط‌های عصبی چندوجهی، شامل پروفسور مهندسی نانو Ertugrul Cubukcu است که در تکنیک‌های پیشرفته میکرو و نانوساخت مواد گرافن تخصص دارد. ویکاش گیلیا، پروفسور مهندسی برق و کامپیوتر، که آزمایشگاه او دانش خاص حوزه را از علوم اعصاب پایه، پردازش سیگنال، و یادگیری ماشین برای رمزگشایی سیگنال‌های عصبی ادغام می‌کند. و استاد عصب‌شناسی و علوم اعصاب تاکاکی کومیاما، که آزمایشگاهش بر مطالعه مکانیسم‌های مدار عصبی که زیربنای رفتار انعطاف‌پذیر هستند تمرکز دارد.

شفافیت یکی از ویژگی های کلیدی این ایمپلنت عصبی است. ایمپلنت‌های سنتی از مواد فلزی مات برای الکترودها و سیم‌های خود استفاده می‌کنند که در طول آزمایش‌های تصویربرداری، دید نورون‌های زیر الکترودها را مسدود می‌کنند. در مقابل، ایمپلنت ساخته شده با استفاده از گرافن شفاف است که میدان دید کاملا واضحی را برای میکروسکوپ در طول آزمایش های تصویربرداری فراهم می کند.

کوزوم گفت: “ادغام یکپارچه ضبط سیگنال الکتریکی و تصویربرداری نوری از فعالیت عصبی به طور همزمان تنها با این فناوری امکان پذیر است.” “توانایی اجرای هر دو آزمایش به طور همزمان داده های مرتبط تری به ما می دهد، زیرا می توانیم ببینیم که چگونه آزمایش های تصویربرداری در زمان با ضبط های الکتریکی مرتبط هستند.”

برای اینکه ایمپلنت کاملاً شفاف شود، محققان از سیم‌های گرافنی بسیار نازک و بلند به جای سیم‌های فلزی سنتی برای اتصال الکترودها به برد مدار چاپی استفاده کردند. رمضانی توضیح داد، با این حال، تولید یک لایه گرافن به عنوان یک سیم نازک و بلند چالش برانگیز است، زیرا هر گونه نقصی سیم را از کار می‌اندازد. ممکن است شکافی در سیم گرافن وجود داشته باشد که از عبور سیگنال الکتریکی جلوگیری می کند، بنابراین در نهایت با سیم شکسته مواجه می شوید.

محققان با استفاده از یک تکنیک هوشمندانه به این مشکل پرداختند. به جای اینکه سیم ها را به صورت تک لایه گرافن تولید کنند، آنها را به صورت یک لایه دو لایه آغشته به اسید نیتریک در وسط تولید کردند. رمضانی گفت: با قرار گرفتن دو لایه گرافن روی هم، احتمال زیادی وجود دارد که عیوب یک لایه توسط لایه دیگر پوشانده شود و از ایجاد سیم‌های گرافنی کاملاً کاربردی، نازک و بلند با رسانایی بهتر اطمینان حاصل شود. .

به گفته محققان، این مطالعه متراکم ترین آرایه الکترود شفاف روی یک ایمپلنت عصبی روی سطح را نشان می دهد. دستیابی به چگالی بالا مستلزم تولید الکترودهای گرافن بسیار کوچک است. این یک چالش مهم است زیرا کوچک شدن اندازه الکترودهای گرافن امپدانس آنها را افزایش می دهد – این امر مانع از جریان الکتریکی مورد نیاز برای ثبت فعالیت عصبی می شود. برای غلبه بر این مانع، محققان از تکنیک میکروساخت توسعه یافته توسط آزمایشگاه Kuzum استفاده کردند که شامل رسوب نانوذرات پلاتین بر روی الکترودهای گرافن است. این رویکرد جریان الکترون را از طریق الکترودها بهبود بخشید و در عین حال آنها را کوچک و شفاف نگه داشت.

مراحل بعدی

سپس این تیم بر روی آزمایش این فناوری در مدل‌های حیوانی مختلف تمرکز خواهد کرد و هدف نهایی آن ترجمه انسانی در آینده است.

گروه تحقیقاتی کوزوم نیز به استفاده از این فناوری برای پیشبرد تحقیقات علوم اعصاب پایه اختصاص دارد. با این روحیه، آنها فناوری را با آزمایشگاه‌های ایالات متحده و اروپا به اشتراک می‌گذارند و در تحقیقات مختلفی از درک چگونگی ارتباط فعالیت عروقی با فعالیت الکتریکی در مغز تا بررسی اینکه چگونه سلول‌های مغز در ایجاد فضایی بسیار کارآمد هستند، مشارکت می‌کنند. حافظه برای در دسترس قرار دادن این فناوری به طور گسترده، تیم کوزوم برای کمک مالی از مؤسسه ملی بهداشت (NIH) برای تأمین بودجه تلاش‌ها برای افزایش تولید و تسهیل پذیرش آن توسط محققان در سراسر جهان درخواست کرد.

کوزوم گفت: “این فناوری را می توان برای بسیاری از مطالعات مختلف علوم اعصاب پایه استفاده کرد، و ما مشتاق هستیم تا سهم خود را برای تسریع پیشرفت در درک بهتر مغز انسان انجام دهیم.”

عنوان مقاله: «آرایه‌های گرافن با چگالی بالا شفاف برای پیش‌بینی فعالیت کلسیم سلولی در عمق از ثبت‌های پتانسیل سطحی.» نویسندگان همکار عبارتند از: جئونگ هون کیم*، شین لیو، چی رن، عبدالله آلوتمن، چاوینا دی-اکنامکول و مدیسون ان. ویلسون، همه در UC San Diego.

* نویسنده همکار پژوهش

این تحقیق توسط دفتر تحقیقات نیروی دریایی (N000142012405، N000142312163، و N000141912545)، بنیاد ملی علوم (ECCS-2024776، ECCS-1752241، و ECCS-1734940، و ECCS-1734940، و ECCS-1734940، و ECCS-17349402، و ECCS-17349402، و ECCS22312163، و N000141912540) پشتیبانی شده است. 61 80، DP2 EB030992، R01 NS091010A، R01 EY025349، R01 DC014690، R21 NS109722 و P30 EY022589)، بنیاد خیریه Pew و بنیاد دیوید و لوسیل. این کار تا حدی در زیرساخت نانوتکنولوژی سن دیگو (SDNI) در UC San Diego، یکی از اعضای زیرساخت ملی هماهنگ‌کننده فناوری نانو، که توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی می‌شود، انجام شد (Grant ECCS-1542148).

متصل