Fig. 1. Schemi dell'elettronica mesh. ( UN ) Schemi della struttura elettronica della mesh in 2D. ( io ) Progettazione complessiva della struttura elettronica della maglia, dove le linee blu evidenziano la struttura complessiva della mesh, i cerchi neri pieni a sinistra indicano i pad I/O, e i cerchi pieni di rosso indicano gli elettrodi di registrazione. ( II ) Una singola cella di elettronica mesh, dove le linee arancioni, che sono mostrati senza strato di polimero superiore, evidenziare le interconnessioni metalliche e le linee blu corrispondono allo strato di passivazione del polimero; w 1 , w 2 , e W m indicare le larghezze del polimero longitudinale, polimero trasversale, e linee metalliche, rispettivamente. Lo schema nel riquadro tratteggiato verde evidenzia la vista in sezione trasversale, che mostra la struttura metallica incapsulata in polimero, nella posizione indicata dalla linea tratteggiata verde. ( B ) Schema dell'elettronica a rete indipendente galleggiante in soluzione acquosa e pronta per essere caricata in un ago di vetro. ( C ) Schema dell'elettronica a maglie iniettata nel cervello del topo, con parte della rete che si allenta tra il cervello e l'ago. ( D ) Schema dell'elettronica a maglie impiantata nel tessuto cerebrale con le direzioni di sezionamento orizzontale (piano giallo) e sagittale (piano verde) evidenziate nel riquadro. ( E ) Schemi dell'interfaccia tra l'elettronica a maglie e il tessuto cerebrale ( Sinistra , vista in sezione trasversale) e quella tra il film sottile flessibile e il tessuto cerebrale ( Destra , vista in sezione). Gli elementi in rete e il film sottile flessibile sono evidenziati in blu, i neuroni sono in viola, e la cicatrice gliale è in giallo. Credito:Zhou T, Hong G, Fu T-M, Yang X, Schuhmann TG, Robert D. Viveros, RD, Lieber CM (2017) L'elettronica a rete iniettabile con siringa si integra perfettamente con una risposta immunitaria cronica minima nel cervello. Proc Natl Acad Sci USA 114(23):5894-5899.
(Phys.org)—Neuroprotesi, le sonde neurali e altri impianti di tessuti intraneurali hanno offerto notevoli vantaggi ai riceventi in una serie di aree della ricerca neuroscientifica e delle applicazioni biomediche, esempi terapeutici non sono solo il morbo di Alzheimer, Morbo di Parkinson, epilessia, trauma cranico, e altre condizioni neurologiche/neurologicamente correlate, così come la cognizione, memoria, e disturbi sensomotori. Però, gli attuali impianti neurali presentano diversi inconvenienti, inclusa infiammazione del tessuto neurale o cicatrici dovute a micromovimenti del dispositivo, così come la longevità e la potenziale necessità di rimozione, e requisiti di potenza elevata. L'ideazione di sonde elettriche che si integrano perfettamente nel tessuto neurale è stato quindi un obiettivo ambito. A quello scopo, scienziati dell'Università di Harvard hanno riportato il successo dell'impianto di un neuromorfo (cioè, avente una struttura simile al tessuto cerebrale) sonda neurale elettronica a maglia aperta ultraflessibile che viene consegnata a specifiche regioni del cervello tramite iniezione di siringhe (un protocollo pubblicato nel 2015 in Nanotecnologia della natura ) 1 .
La sonda, che non richiede alimentazione, registra direttamente i cambiamenti di tensione neurale essendo in grado di interfacciarsi con tutte le regioni del cervello dal livello del singolo neurone attraverso circuiti e reti, in cui l'elettrodo di registrazione della maglia è collegato da linee metalliche passivate (cioè, avente un rivestimento protettivo applicato sulla sua superficie) alle piazzole di ingresso/uscita situate all'estremità opposta della struttura a rete. Questi pad I/O, a sua volta, vengono quindi collegati a cavi flessibili piatti (FFC) e collegati a un sistema esterno per la registrazione. I ricercatori hanno anche condotto studi sistematici post-impianto, trovare risposte immunitarie neurali minime o assenti, e inoltre quel tessuto cerebrale era penetrato e si era fuso con la sonda a rete. Gli scienziati notano che l'impianto a rete potrebbe non richiedere mai la rimozione, ma se lo fa, farlo sarebbe una procedura semplice se non priva di problemi. Concludono che la maggior parte delle aree della ricerca neuroscientifica fondamentale potrebbe trarre vantaggio dall'elettronica a maglie che fornisce stabilità a lungo termine e risoluzione del singolo neurone - capacità uniche non presenti nelle neuroprotesi convenzionali - e affermano nel loro articolo che le sonde elettroniche a maglia aperta ultraflessibili potrebbero in futuro consentire un vasta gamma di opportunità per in vivo registrazione cronica e modulazione dell'attività cerebrale.
Biologia chimica Mark Hyman Jr. Il professore di chimica Charles Lieber ha discusso il documento che lui, Autore principale Studente laureato Tao Zhou, Postdoctoral Fellow Guosong Hong, e i loro colleghi pubblicati in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . "La sfida principale della progettazione e dell'impianto di una sonda a maglia aperta ultraflessibile iniettabile è garantire che il design abbia quattro caratteristiche chiave, "Lieber racconta Phys.org . Questi fattori sono aperture a maglie più grandi dei corpi cellulari per facilitare la penetrazione dei neuroni; caratteristiche dell'elemento mesh della stessa dimensione o più piccole dei neuroni; flessibilità che in questo studio era di molti ordini di grandezza maggiore di quella dei neuroni; e l'elettronica della maglia che può essere facilmente iniettata attraverso aghi molto alti per controllare con precisione la posizione della maglia. "Progettando l'elettronica della maglia in modo tale che tutte le proprietà chiave siano neuromorficamente simili al tessuto neurale, eliminiamo la risposta immunitaria cronica che si trova con tutte le altre sonde e impianti medici, che sono più come spine nel tuo tessuto."
Come menzionato prima, il documento del 2015 degli scienziati ha avviato il concetto di elettronica iniettabile con siringa, che osserva Lieber apre un nuovo campo con molte opportunità in attesa di ulteriori studi, un esempio è la co-iniezione di elettronica e cellule in cui l'elettronica a maglie funziona anche come impalcatura di crescita dei tessuti rilevante per la medicina rigenerativa. "Nel documento qui discusso riportiamo studi istologici cronici sistematici dipendenti dal tempo dell'interfaccia tessuto-rete dopo che le sonde a rete sono state impiantate nel cervello dei roditori. Sia orizzontale (che contiene sezioni trasversali di sonde a rete impiantate) che sagittale (che contiene quasi l'intera sonda a rete impiantata) le fette di cervello sono state utilizzate per l'immunoistochimica e sono state colorate con anticorpi che possono colpire i neuroni somi, assoni, astrociti e microglia. I risultati di questo documento rivelano l'unicità delle sonde mesh in termini di risposta tissutale minima o assente e penetrazione neuronale quando impiantate cronicamente nel cervello.
figura 2. Istologia tempo-dipendente di fette di tessuto orizzontali contenenti elettronica a rete impiantata e sonde flessibili a film sottile. Immagini di microscopia confocale a fluorescenza di fette di tessuto orizzontali contenenti elettronica a rete/sonde flessibili a film sottile a 2 settimane ( UN e D ), 4 settimane ( B e E ), e 3 mesi ( C e F ) postimpianto. In tutti i pannelli le etichette delle immagini erano NeuN ( io , verde), NF ( II , rosso), GFAP ( III , ciano), e NeuN, NF, Composito GFAP ( IV ). L'elettronica mesh e le sezioni trasversali flessibili del film sottile sono pseudocolorate in blu. (Barre di scala in tutte le immagini, 100 micron) Credito:Zhou T, Hong G, Fu T-M, Yang X, Schuhmann TG, Robert D. Viveros, RD, Lieber CM (2017) L'elettronica a rete iniettabile con siringa si integra perfettamente con una risposta immunitaria cronica minima nel cervello. Proc Natl Acad Sci USA 114(23):5894-5899.
I ricercatori hanno utilizzato la fotolitografia standard per fabbricare le sonde elettroniche a rete utilizzando un fotoresist a base di poliimmide (le poliimmidi sono biocompatibili) in una struttura a tre strati;
1. la struttura della maglia inferiore (tipicamente ~ 400 nm di spessore) è definita in base al design specifico
2. le interconnessioni metalliche, pad di ingresso/uscita, e gli elettrodi cerebrali sono definiti, questi hanno uno spessore di ~100 nm
3. lo strato superiore di poliimmide resist è definito in modo tale che tutto il metallo sia incapsulato ad eccezione dei pad e degli elettrodi di I/O, dove l'approccio e la successiva lavorazione del polimero portano a una robusta struttura quasi monolitica <1 um di spessore
Lieber sottolinea che la natura neuromorfa delle sonde elettroniche mesh è correlata ai tre punti precedenti, la compatibilità bio/neurale del polimero poliimmidico utilizzato per la rete, e la struttura a maglia tridimensionale aperta post-impianto. Insieme, Aggiunge, queste caratteristiche rendono l'elettronica della maglia iniettata abbastanza simile alle reti neurali che comprendono il tessuto cerebrale, e quindi del tutto distinto dalle sonde convenzionali.
figura 4. Istologia di una fetta di tessuto sagittale contenente quasi l'intera sonda elettronica a rete impiantata. ( UN e B ) Immagini di microscopia a fluorescenza confocale di una fetta di tessuto sagittale inclusa la sonda elettronica a maglie a 3 mesi dopo l'impianto. Ciascuna delle immagini sono immagini composite 3×3 registrate direttamente in modalità Tile Scan, dove ogni immagine componente del Tile Scan aveva un campo visivo di 425 μm × 425 μm. La fetta di tessuto è stata colorata con anticorpi per NeuN (verde), NF (rosso), e GFAP (ciano); la mesh è mostrata come pseudocolore blu. Le immagini sono state registrate su un piano focale ottico ca. 5 μm sotto le superfici del lato A ( UN ) e lato B ( B ). ( C ) Intensità di fluorescenza in funzione della distanza dal confine della maglia elettronica nelle immagini del lato A ( UN ) e lato B ( B ). Le regioni ombreggiate in rosa indicano l'interno dell'elettronica mesh su ciascun lato. L'intensità della fluorescenza NF e GFAP è stata analizzata sulla base delle immagini intere, e l'intensità della fluorescenza NeuN è stata analizzata in base alle regioni mostrate nelle caselle tratteggiate gialle in UN e B . Le barre di errore rappresentano SEM. Credito:Zhou T, Hong G, Fu T-M, Yang X, Schuhmann TG, Robert D. Viveros, RD, Lieber CM (2017) L'elettronica a rete iniettabile con siringa si integra perfettamente con una risposta immunitaria cronica minima nel cervello. Proc Natl Acad Sci USA 114(23):5894-5899.
"La sfida principale nel dimostrare che le sonde non provocano infiammazione o cicatrici, a differenza della tipica risposta del tessuto cronico, è quella di caratterizzare l'interfaccia tessuto-maglia in momenti diversi dopo l'impianto, " spiega Lieber. Per fare questo, senza rimuovere le sonde a rete impiantate, i ricercatori hanno sezionato il cervello di topo in sezioni sia trasversali che longitudinali o sagittali (sinistra/destra). "Le indagini su entrambe le sezioni trasversali e longitudinali con la sonda elettronica a rete impiantata hanno fornito viste dettagliate e globali, rispettivamente, di interazione sonda/tessuto, " fa notare, sottolineando che nella maggior parte dei casi le sonde convenzionali devono essere rimosse dal tessuto prima del sezionamento, con conseguente perdita di alcune informazioni critiche dell'interfaccia.
"Le sezioni cerebrali orizzontali e sagittali, che contengono sezioni trasversali di sonde a rete impiantate, e quasi l'intera sonda a rete impiantata, rispettivamente, sono stati colorati con anticorpi che possono colpire i neuroni somi, assoni, astrociti e microglia, "Lieber continua, Inoltre, sottolinea che questi studi hanno dimostrato che a differenza delle sonde convenzionali, i neuroni somi e gli assoni attorno alle sonde a rete non sono stati danneggiati, e ha portato a livelli di tessuto naturale sulla superficie della sonda a rete. "Allo stesso modo, i marcatori per l'infiammazione della risposta immunitaria che evidenziano gli astrociti e la microglia hanno mostrato che queste specie sono diventate a livello di fondo dopo solo un paio di settimane nell'elettronica a rete, ma hanno proliferato e si sono accumulati alle interfacce delle sonde convenzionali." Gli scienziati hanno anche scoperto che la capacità di consentire i neuroni e la maglia da compenetrare sono universali per tutte le maglie che hanno iniettato e ripreso a 6 ~ 12 settimane dopo l'iniezione, spingendoli ad avviare ulteriori esperimenti per scoprire come la dimensione degli elementi strutturali dell'elettronica della maglia e altri parametri potrebbero essere sintonizzati per migliorare la capacità di compenetrazione dei neuroni.
Dovrebbe essere notato, Lieber racconta Phys.org , che i ricercatori sono prudenti quando nel loro articolo scrivono una risposta immunitaria minima in attesa di analisi dei marcatori più dettagliate. "Infatti, crediamo che non ci sia risposta immunitaria dalla mesh perché i nostri risultati mostrano che qualsiasi miglioramento iniziale in astrociti e microglia ritorna allo sfondo senza alcuna differenza misurabile vicino o distale alla sonda a 12 settimane e, come mostrato nel nostro 2016 Metodi della natura carta 1 —fino ad almeno un anno. Riteniamo quindi che la risposta sia dovuta a un danno acuto che si verifica quando si inserisce l'ago (o se è per questo, qualsiasi sonda) nel cervello, ma data la mancanza di risposta immunitaria dalla sonda a rete, questo danno acuto tutto guarisce nel tempo, in contrasto con il peggioramento, come nel caso delle sonde convenzionali."
Figura S2. Istologia tempo-dipendente dell'elettronica mesh impiantata cronicamente ( UN – C ) e sonde flessibili a film sottile ( D – F ) nel cervello dei topi (sezioni orizzontali). Le fette di tessuto sono etichettate con Iba-1 (magenta) per evidenziare la microglia; l'elettronica a maglie e le sonde flessibili a film sottile sono state riprese dal DIC e sono blu pseudocolorate. (Barre di scala in tutte le immagini, 100 micron) Credito:Zhou T, Hong G, Fu T-M, Yang X, Schuhmann TG, Robert D. Viveros, RD, Lieber CM (2017) L'elettronica a rete iniettabile con siringa si integra perfettamente con una risposta immunitaria cronica minima nel cervello. Proc Natl Acad Sci USA 114(23):5894-5899.
Il minimo, danno acuto recuperabile e l'assenza di una risposta immunitaria supportano la possibilità che l'elettronica mesh possa essere permanentemente vitale. "Secondo i nostri studi passati e in corso finora, le sonde mesh possono mantenere un'interfaccia di registrazione/stimolazione stabile con il tessuto cerebrale per almeno uno o due anni, " dice Lieber. "Tuttavia, questo periodo di tempo non rappresenta l'aspettativa di vita realizzabile poiché sono attualmente in corso studi per dimostrare una stabilità anche a lungo termine." A causa della limitazione della vita dei roditori da due a tre anni, gli scienziati si aspettano di trovare una stabilità più ampia nei mammiferi più longevi come i macachi rhesus e negli studi attualmente in corso. "Nel caso con risposta immunitaria assente, come dimostrato nel nostro recente documento, l'aspettativa di vita dell'elettronica mesh dovrebbe essere determinata solo dalla biocompatibilità e dalla durata dei materiali, compresi gli elettrodi metallici (oro e platino, che sono entrambi inerti), e il polimero passivante che è stato ampiamente studiato in precedenti pubblicazioni (come Nemani et al 2 ) per mostrare stabilità a lungo termine in condizioni fisiologiche). Perciò, rimaniamo fiduciosi che l'elettronica mesh avrà probabilmente un'aspettativa di vita con un'interfaccia neurale stabile e funzioni di registrazione/stimolazione per anni, e immagina la rete in definitiva come impianto a vita."
Però, Lieber aggiunge, se è necessario rimuovere la rete, può essere estratto direttamente con la minima forza e danni al cervello. "Anche se questo potrebbe causare una piccola quantità di danni a causa della perfetta integrazione con il tessuto neurale, crediamo che la stabilità senza precedenti e l'assenza di risposta immunitaria cronica della nostra elettronica a rete simile al tessuto neurale porterà a un cambiamento di paradigma in cui la sonda è un impianto permanente che non richiede la rimozione".
Andando avanti, Lieber afferma che stanno conducendo studi in corso su nuovi progetti di mesh con un numero elevato di elettrodi e iniezioni multisito. "Inoltre, i nostri prossimi passi includono l'impianto di elettronica a rete in tessuti e organi diversi dal cervello, ad esempio, negli occhi per in vivo registrazione di singole cellule gangliari retiniche, nel midollo spinale, nel muscolo per studiare la propagazione del segnale alla giunzione neuromuscolare, e così via. Stiamo anche iniziando studi che sfruttano la stabilità e l'assenza senza precedenti di risposta immunitaria cronica dell'elettronica a rete nei modelli di malattia di Alzheimer e Parkinson, e stanno lavorando all'impianto di elettronica a rete in soggetti primati non umani e pazienti umani".
Vedono anche una vasta gamma di applicazioni attuali e potenziali che beneficiano dell'uso della loro sonda a maglia, compresi gli impianti del midollo spinale e della giunzione neuromuscolare, interfacce cervello-macchina, animali cyborg, invecchiamento naturale e patologico (come il morbo di Alzheimer) con approfondimenti su come la memoria spaziale e l'apprendimento si evolvono in funzione dell'età e dello stadio della malattia. Inoltre, aggiungendo elettrodi di stimolazione, essere in grado di abilitare un feedback di livello fine che può migliorare o superare i cali cognitivi associati all'invecchiamento e ad altre malattie neurodegenerative.
Per quanto riguarda altre aree di ricerca che potrebbero trarre vantaggio dal loro studio, Lieber dice che in generale, la maggior parte delle aree della ricerca neuroscientifica fondamentale potrebbe trarre vantaggio dalle capacità uniche dell'elettronica mesh di stabilità a lungo termine e risoluzione di un singolo neurone. "Inoltre, almost any clinical/medical application that involves electrical recordings and/or stimulations will benefit from our studies. In addition to that mentioned above, "conclude, "the mesh electronics should provide unique opportunities for brain-machine interfaces for tetraplegic patients, deep brain stimulations for the treatment of Parkinson's disease, and neural prosthetics in general."
© 2017 Phys.org
