Beültethető agyi érzékelők fejlesztése
A legújabb technológiai fejlesztések izgalmas új lehetőségeket nyitottak meg az intelligens protézisek, például a sérült, károsodott vagy amputált testrészeket helyettesítő művégtagok, ízületek vagy szervek fejlesztése terén. Ugyanezek a fejlesztések lehetővé teszik más, az agyat gépekkel összekötő rendszerek fejlesztését is, amelyek rögzítik az idegsejtek aktivitását, vagy teljesen új módon lehetővé teszik az emberek számára a gépek működtetését.
A Kínai Agykutató Intézet, a Pekingi Nemzeti Nanotudományi és Technológiai Központ és más intézetek kutatói nemrégiben kifejlesztettek egy új, rugalmas beültethető érzékelőt, amely képes rögzíteni a főemlősök agyában zajló idegsejt-aktivitást. A Nature Electronics folyóiratban megjelent cikkben bemutatott érzékelő eszközt a kirigami ihlette, egy hagyományos japán művészeti ág, amely bonyolult struktúrák létrehozását jelenti papír meghatározott módon történő hajtogatásával és vágásával.
„Az agy-számítógép interfészek fejlesztéséhez olyan beültethető mikroelektród-rendszerekre van szükség, amelyek nagy térbeli és időbeli skálán számos idegsejttel képesek kapcsolatba lépni” – írják Runjiu Fang, Huihui Tian és kollégáik a cikkükben. „Az emberszabású főemlősök agyának jelentős mozgásait és deformációit hatékonyan kezelni képes rendszerek létrehozása azonban továbbra is kihívást jelent. Bemutatunk egy kirigami ihlette rugalmas mikroelektróda-rendszert, amely átalakítható spirálszálas kialakítással rendelkezik, és emberszabású főemlősök agyában nagy léptékű, hosszú távú idegsejt-aktivitás rögzítésére használható.”
Kirigami ihlette, nyújtható agyi implantátum
A Fang, Tian és kollégáik által kifejlesztett érzékelő eszköz ultravékony, spirál alakú elektródszálakból áll. Ezek az elektródák különböző módon nyújthatók és hajlíthatók, így törés nélkül tudnak tágulni vagy összehúzódni.
Az elektródaszálakat hidrogéllel vonták be, ami egy puha, víztartalmú anyag, javítja rugalmasságot és lehetővé teszi, hogy az implantálás után finoman illeszkedjenek az agyszövetekhez. A kutatók az érzékelő rendszert nem emberi főemlősök, konkrétan makákók agyának külső rétegébe implantálva tesztelték. A nyújtható spirálfonalak beültethetők az agykéregbe, alapjuk pedig az agyfelületen úszik, hogy alkalmazkodjon a főemlős agy koponyán belüli nagy mozgásaihoz.
A csapat makákókkal végzett kezdeti tesztjeiben a rugalmas érzékelő rendkívül jól teljesített, mivel hosszú ideig képes volt megbízhatóan rögzíteni több száz idegsejt tevékenységét egyszerre. A kutatók kimutatták, hogy rendszerük méretezhető, így az agy nagyobb területeinek megfigyelésére is alkalmas.
„Bebizonyítottuk, hogy az implantált rendszer egyszerre több mint 700 agykéreg-neuron aktivitását képes rögzíteni egy makákó majom agyában” – írták a szerzők. „Emellett bemutattuk a felső végtagok kinematikájának pontos dekódolását az elsődleges motoros kéreg (M1) neuronjainak impulzusaktivitásából egy visszatérő neurális hálózati modell segítségével.”
A protézisek és az idegtudományok kutatásának fejlődése
Fang, Tian és kollégáik gépi tanulási technikák segítségével pontosan meg tudták jósolni, hogyan fogják a makákók mozgatni karjaikat és kezeiket a szenzoruk által rögzített jelek alapján. Ez rávilágít arra, hogy eszközük ígéretes lehet olyan protézisrendszerek fejlesztésében, amelyek specifikus gondolatokkal vezérelhetők, valamint más, a felhasználók agyi aktivitására reagáló hardverekben.
Eddig az érzékelőt kizárólag főemlősökön tesztelték, mivel biztonságosságát embereknél még nem igazolták klinikai vizsgálatok. A jövőbeli fejlesztések és klinikai vizsgálatok azonban végső soron az egészségügyi ellátásban való alkalmazásához vezethetnek, például agyi impulzusokra reagáló protézisek, rehabilitációs technológiák vagy kommunikációs eszközök létrehozásához azok számára, akik nem tudnak beszélni.
Mivel a csapat eszköze egyszerre több száz idegsejt aktivitását képes rögzíteni, értékes eszköz lehet az idegtudományi kutatások számára is. A jövőben felhasználható lehet az emlősök agyában található specifikus idegsejtpopulációk aktivitásának pontosabb feltérképezésére, vagy specifikus mentális funkciók és viselkedés idegrendszeri alapjainak tanulmányozására.