Registrare l’attività di grandi popolazioni di singoli neuroni nel cervello per lunghi periodi di tempo è fondamentale per approfondire la nostra comprensione dei circuiti neurali, per consentire nuove terapie basate su dispositivi medici e, in futuro, per le interfacce cervello-computer che richiedono alta risoluzione. informazioni elettrofisiologiche.
Ma oggi esiste un compromesso tra la quantità di informazioni ad alta risoluzione che un dispositivo impiantato può misurare e per quanto tempo può mantenere le prestazioni di registrazione o stimolazione. Impianti rigidi di silicio con molti sensori possono raccogliere molte informazioni ma non possono rimanere nel corpo per molto tempo. I dispositivi flessibili e più piccoli sono meno invasivi e possono durare più a lungo nel cervello, ma forniscono solo una frazione delle informazioni neurali disponibili.
Recentemente, un team interdisciplinare di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in collaborazione con l'Università del Texas ad Austin, MIT e Axoft, Inc., ha sviluppato un dispositivo morbido impiantabile con dozzine di sensori che può registrare stabilmente l'attività di un singolo neurone nel cervello per mesi.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Nanotechnology.
"Abbiamo sviluppato interfacce cervello-elettronica con risoluzione di singola cellula che sono più biologicamente conformi rispetto ai materiali tradizionali", ha affermato Paul Le Floch, primo autore dell'articolo ed ex studente laureato nel laboratorio di Jia Liu, assistente professore di bioingegneria presso la SEAS. . "Questo lavoro ha il potenziale per rivoluzionare la progettazione della bioelettronica per la registrazione e la stimolazione neurale e per le interfacce cervello-computer."
Le Floch è attualmente l'amministratore delegato di Axoft, Inc, una società fondata nel 2021 da Le Floch, Liu e Tianyang Ye, ex studente laureato e ricercatore post-dottorato presso il Park Group di Harvard. L'Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale associata a questa ricerca e ha concesso in licenza la tecnologia ad Axoft per un ulteriore sviluppo.
Per superare il compromesso tra velocità dati ad alta risoluzione e longevità, i ricercatori si sono rivolti a un gruppo di materiali noti come elastomeri fluorurati. I materiali fluorurati, come il Teflon, sono resilienti, stabili nei biofluidi, hanno eccellenti prestazioni dielettiche a lungo termine e sono compatibili con le tecniche di microfabbricazione standard.
I ricercatori hanno integrato questi elastomeri dielettrici fluorurati con pile di microelettrodi morbidi (64 sensori in totale) per sviluppare una sonda di lunga durata che è 10.000 volte più morbida delle sonde flessibili convenzionali realizzate con materiali plastici tecnici, come poliimmide o parilene C.
Il team ha dimostrato il dispositivo in vivo , registrando informazioni neurali dal cervello e dal midollo spinale dei topi nel corso di diversi mesi.
"La nostra ricerca evidenzia che, progettando attentamente vari fattori, è possibile progettare nuovi elastomeri per interfacce neurali stabili a lungo termine", ha affermato Liu, che è l'autore corrispondente dell'articolo. "Questo studio potrebbe ampliare la gamma di possibilità di progettazione per le interfacce neurali."
Del gruppo di ricerca interdisciplinare facevano parte anche i professori SEAS Katia Bertoldi, Boris Kozinsky e Zhigang Suo.
"La progettazione di nuove sonde e interfacce neurali è un problema molto interdisciplinare che richiede competenze in biologia, ingegneria elettrica, scienza dei materiali, ingegneria meccanica e chimica", ha affermato Le Floch.
La ricerca è stata scritta in collaborazione con Siyuan Zhao, Ren Liu, Nicola Molinari, Eder Medina, Hao Shen, Zheliang Wang, Junsoo Kim, Hao Sheng, Sebastian Partarrieu, Wenbo Wang, Chanan Sessler, Guogao Zhang, Hyunsu Park, Xian Gong, Andrew Spencer, Jongha Lee, Tianyang Ye, Xin Tang, Xiao Wang e Nanshu Lu.
Ulteriori informazioni: Paul Le Floch et al, sonde neurali in vivo 3D scalabili spazio-temporalmente basate su elastomeri fluorurati, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01545-6
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dalla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
