הגבול הבא ב- Neurotechnology: Transud Neural Interfaces

המוח נשאר האיבר המורכב ביותר בגוף האדם, ולומד את המעגל המורכב שלו דרש זמן רב של עצירות בין מיפוי סודיות וגישה אופטית התכנסות - אלקטרודות מטריות, סיליקון גילוח, ומיקרו-wires - לספק אותות חשמליים מצוינים אבל לחסום אור, מה שהופך אותו בלתי אפשרי לצלם או לספק גירוי אופטי באמצעות המכשיר עצמו לאורך העשור האחרון, יש פתרון של שיטות הדמיה כגון זה, כדי לשנות את זה, כמו גם לחץ דם מכניקה, כדי לשנות את זה, עם חומרים אופטית, כדי לפתח את זה, עם תאים אופטיים.

מה הם מחסומים עצביים?

ממשקים עצביים טרנסנדים הם מכשירים מושתלים או מעוקלים שיכולים להקליט ולגרות רקמות עצביות בעודם נשארים בלתי נראים במידה רבה לאור. המאפיין שלהם הוא רמה גבוהה של שקיפות אופטית על פני הספקטרום הנראה והקרוב ל- HIV, לעתים קרובות מעל 80% שידורים.שקיפות זו מאפשרת אור לעבור דרך המכשיר גם לרגש וגם לצלם את רקמת המוח הבסיסית, המאפשרת אלקטרופיזיולוגיה ומדידות אופטיות – יכולת בלתי אפשרית עם אלקטרו-אפשרות קונבנציונליות אלקטרו-טבעיות.

מכשירים אלה מורכבים בדרך כלל ממצע שקוף (כגון פולימרים גמישים או זכוכית אולטרה-אין) עם מערך של אלקטרודות מוליכים שקוף דפוס על פני השטח שלה.האלקטרודות מחוברות לאלקטרוניקה חיצונית באמצעות מובילי שקוף או מינימלית חסימת.כאשר ממוקם על קליפת המוח או מושתל לתוך מבנים עמוקים יותר, הממשק מספק חלון לפעילות עצבית תוך מתן גם קוראים חשמליים.

דרישות מפתח לנהוג בצורך בשקיפות

הנהג העיקרי לממשקים עצביים שקופה הוא השילוב של חקירה אופטית וחשמלית.פרדיגמות ניסיוניות רבות נהנים ישירות מהמודוליות הכפולה:

  • (FLT:0)OptogeneticsFLT:1: ערוצי יון רגישים לאור באים לידי ביטוי באוכלוסיות נוירוניות ספציפיות.ממשקים טראנסבוי מאפשרים משלוח של הדופקים קלים להפעלת או לעכב נוירונים תוך כדי הקלטה של הפעילות החשמלית המתקבלת מאותו האזור.
  • (FLT:0)Calcium הדמיהFLT:1: אינדיקטורים פלואורסנט לשנות את עוצמת התגובה לזרימת סידן במהלך פוטנציאל פעולה.רשת אלקטרודה שקוף יכול ללכוד אותות אופטיים אלה מתחת או מעל המכשיר ללא חפצים צל.
  • (FLT:0)Voltage הדמיהFLT:1: מחוונים של מתח מקודדים גנטית מציעים פתרון זמני מהיר יותר מאשר חיישני סידן; ממשקים שקופה הם חיוניים לשילוב הדמיה מתח עם הקלטות חשמל.
  • (FLT:0 Two-Photon microscopyFLT:1): הדמיה גבוהה ברזולוציה דורשת נתיבים אופטיים ברורים; אלקטרודות אפיק יפתרו את הדבורה ואת איכות התמונה.

חומרים מהירים בשימוש ב- Transud Neural Interfaces

הצלחתו של ממשק עצבי שקוף תלויה באופן ביקורתי בבחירת החומרים.החומר האידיאלי חייב לספק בו זמנית כמה מגבלות תובעניות: מוליכות חשמלית גבוהה (הזרקת מטען נמוכה עבור גירוי), שקיפות אופטית מעולה, גמישות מכנית כדי להתאים לרקמות המוח, ביו-אופטימיות לטווח ארוך, והתאמה עם תהליכים סטנדרטיים של מיקרו-פטריבית.

Graphene

Graphene - שכבה אחת של אטומי פחמן מסודרים בלחיצות דבש - התפתח כמועמד כוכבים עבור אלקטרודות עצביות שקוף.הוא יש מוליכות חשמלית יוצאת דופן (התנגדות לגליון נמוך כמו 30 ⁇ / sq על תת-מגובה מתכת) תוך קליט רק כ 2.3% של אור גלוי לשכבה.

אחד היתרונות העיקריים של גרפן הוא תאימות שלה עם עיבוד חצי קונבנציונאלי. כימיקל נפילה (CVD) יכול לייצר גדול-area, באיכות גבוהה גרפין סרטים, אשר יכול להיות מועבר על תת-שכבות פולימר גמישות כמו פולימרן או parylene סביבות גרף-בסיס אלקטרודה עם עד 64 ערוצים כי בו זמנית שיא פוטנציאל שדה מקומי ו fluores, 000 טווח איטי יותר עבור גירויים חשמליים, עם גרף אינטנסיביים.

Indium Tin Oxide (ITO)

Indium tin oxide (ITO) הוא תקן תעשייתי עבור מוליכים שקוף תצוגות ו photovoltaics, והוא מותאם לממשקים עצביים. ITO מציעה שקיפות אופטית מעולה (85–90%) והתנגדות נמוכה למדי גיליון (10–100 ⁇ /sq בהתאם עובי ו annealing).

הסגירה העיקרית של ITO עבור ביואלקטרוניקה היא הבירות שלה.כאשר מופקד על תת-שכבות גמישות, סרטי ITO בקלות סדק תחת לחץ מכני, הגבלת השימוש שלה להשתלתים נוקשים יחסית או רשתות קורטיות מתכננים.בנוסף, ITO פירוק בתקשורת ביולוגית שקוף יכול לשחרר סטיות רעילות, העלאת חששות ביופטימיות.

ניהול פולימרים: PEDOT:PSS

PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) פוליסטרון (Sulfonate) הוא פולימר מגובש המשלב מוליכות גבוהה עם שקיפות אופטית בסרטים דקים.זה פתרון-מעבד, מה שהופך אותו נמוך בעלות נמוכה ומדורגת עבור גדול-repoposition:S יכול להיות התנגדות מתחת 100 / קידוד אלקטרוני, בעוד ששומר על ידי קיבולת אלקטרו- 90%-ידי ה-D.

יתרון קריטי של חומרים לא אורגניים PEDOT:PSS על חומרים אורגניים הוא הגמישות המכנית שלה ואת המתחיות. זה יכול להיות מודפס או לסובב על תת-סטריטים elastomeric, המאפשר ממשקים עצביים מתאימים לנוע עם המוח.עם זאת, PEDOT:PSS סובלים מהשפלה בסביבות מוזרות בשל הדבקה ואובדן של התנהגות במשך שבועות הם לטפל זה על ידי ייצוב של שלושה חודשים ייצוב, אשר הוכחו על ידי מחסומים מבוססי ייצוב, או מחסומים ייצוב.

סיליקון ננו-חומרים

הסיליקון, בצורתו הגדולה, הוא ⁇ .אבל במימדים ננוקליים, סיליקון יכול להפוך שקוף אופטית תוך שמירה על תכונות מוליכים למחצה. שתי גישות עיקריות נחקרו: ננווטים וננוממברנס. Ultrathinסיליקון membranes שקוף (~10-50 nm עבה) סופגים פחות מ-5% של אור גלוי וניתן לגוון באמצעות תהליכים CMOS מובנים אלה.

ננוממברנס הסיליקון שימש ליצירת מערך אלקטרודה שקוף לחלוטין עם מאות אתרי הקלטה.הגמישות המכנית של קרומברנס אלה, עם זאת, מוגבלת בהשוואה לפולימרים - הם עדיין יכולים לשבור תחת קרינת רדיאטור צמודה. Composite גישות אשר הטמיעו ננובטונים בממטרת פולימרטרציה כדי לשלב את הביצועים החשמליים של סיליקון עם גמישות של פולימרים מוקדמים להראות הבטחה לפעילות עצבית ומניעה תוך שמירה על פעילות אופטית ושמירה על גישה אופטית.

Transud Conductive Oxides (TCOs) Beyond ITO

כמה תחמוצות מוליכים חלופיות נחקרו עבור יישומים עצביים, כולל תחמוצת טין פלואורין-דופד (FTO), תחמוצת אבץ חמצני (AZO), ו-GZO-doped troped oxide oxide (GZO) חומרים אלה מציעים שקיפות דומה והתנהלות ל- ITO, אך עם פוטנציאל מכניות טובה יותר ועלות נמוכה יותר.

היתרונות של Transud Neural Interfaces Over Conventional אלקטרודות

השינוי מ- Opaque לחומרי אלקטרודה שקוף מציע כמה יתרונות טרנספורמטיביים למחקרי המוח ויישומים קליניים.יתרונות אלה הולכים מעבר פשוט הוספת ערוץ אופטי; הם משנים באופן יסודי את האפשרויות הניסוייות.

שינוי סימבולי Coupling

היתרון הגדול ביותר הוא היכולת לבצע מדידות חשמליות אופטיות תואמים.עם מערך אלקטרודה , חוקר חייב להקליט בנפרד מאזורים שונים או חלופיים בין שיטות, המציגות תקלות מרחביות או זמניות.ממשקים טרנסנדים מאפשרים מתאם ברמת פיקסל: אותו נוירון ניתן לעקוב עם הדמיה בזמן שרכבת הספייק שלה מתועדות באופן חשמלי.

נזקי Tissue

חומרים שקופה רבים, במיוחד פולימרים וגרפן, גמישים באופן מהותי וניתן לעשות אולטרה-תנין - לעתים קרובות פחות מ 10 מיקרומטר עבה. מכשירים כאלה מתאימים למשטח המוח עם ערפל מינימלי במודולוס מכני, להפחית משמעותית דלקת כרונית, צלקות גלימה גלית, ואובדן עצבי בהשוואה לבדיקות סיליקון קשיחות.

רזולוציה גבוהה אופטימית

מכיוון שאלקטרודות שקוף אינן מטילות צללים או יוצרות אזורים אפיזוק, טכניקות הדמיה רחבות שדה כמו מיקרוסקופיה צילום ודמיית סידן mesoscopic סידן יכול ללכוד את כל שדה הראייה ללא עיוות.זה מאפשר מיפוי גבוה של פעילות עצבית על פני מ"מ של קליפת המוח, סולם שקשה להשיג כאשר אלקטרודה חוסמת את הנתיב האופטי.

השתלות פולשניות

טביעת הרגל הקטנה והגמישות של ממשקים שקופה מאפשרים להם להיזרק דרך גולגולת קטנה או אפילו מוזרק כפיזור. ממשקים מבוססי פולימר ניתן לגלגל או לקפל ולאחר מכן לפרוץ לתוך החלל התת-ממדי, להפחית את הטראומה הניתוחית הקשורה לקשתות גדולות.זה יכול בסופו של דבר לתרגם יישומים אנושיים שבהם צמצום הסיכון וההחלמה הם קריטיים.

אפשרויות ל- Closed-Loop Systems

על ידי שילוב של קראטים חשמליים אופטיים, ממשקים שקופה מאפשרים ניסויים חד-פעמיים אמיתיים: אות עצבית מזוהה אופטית יכול לעורר גירוי חשמלי, או להיפך, בשילוב עם צינורות ניתוח בזמן אמת מתעוררים, זה פותח את הדלת לממשקים אדפטיים המוחיים המותאמים כי לומד הן משוב חשמלי ואופטי.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות ההבטחה שלהם, ממשק עצבי שקוף מתמודדים עם כמה מכשולים טכניים ביולוגיים שיש להתגבר עליהם לפני שהם הופכים כלי שגרתית במדעי המוח או בפרקטיקה קלינית.

יציבות ויציבות ארוכת טווח

מנצחי טראנס הם לעתים קרובות פחות חזקים מאשר עמיתיהם האופיק. Graphene יכול להחריב מן המצע; PEDOT:PSS degrads in saline במשך שבועות; ITO סדקים תחת לחץ מכני.הסביבה הביולוגית היא קשה - zymes, מחדש חמצן פעיל מינים, ומיקרו-motion מכנית מנשימה ופעימת לב כל הכשלים החומריים (למשל, לדוגמה, 2 חודשים), אך לעתים קרובות, גמישות ממושכת, אך עדיין יכולה להוסיף חומרים יציבים, אך ורק לאחר מכן, אך ורק 3 חודשים, אך ורק 3 חודשים, אך ורק כדי לשפר את החומרים יציבים, אך ורק 3 חודשים, אך ורק כדי לשפר את רמת יעילות גבוהה יותר, אך ורק 3 חודשים, אך ורק יותר, אך ורק כדי לשפר את רמת עצבנות גבוהה יותר, אך ורק 3 חודשים, אך ורק 3 חודשים, אך ורק 3 חודשים, אך ורק 3 חודשים, אך ורק 3 חודשים, אך ורק כדי לשפר את רמת יעילות גבוהה יותר, אך ורק 3 חודשים, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן, אך ורק 3 חודשים, אך ורק טיפול פסיכולוגי, אך ורק 3 חודשים, אך ורק טיפול פסיכולוגי, אך ורק טיפול פסיכולוגי, אך ורק טיפול פסיכולוגי, אך ורק טיפול פסיכולוגי, אך ורק לאחר מכן,

סחר חליפין בין Transparency ו-Competivity

עבור רוב המוליכים השקיפות, ההתנהלות הגוברת (על ידי ביצוע הסרט עבה יותר או לעשות את זה יותר מדי) להפחית שידור אופטי, ולהיפך. זה מסחר-off הוא יסודי: נושאת מטען סופגת אור גם לתרום להתנהלות חשמלית. יישומים הדורשים שקיפות גבוהה (לדמיית שני-תצלום עמוקה) ואימפולס אלקטרודה נמוך (לעת אותות עצביים קטנים) לדחוף חומרים למגבלות שלהם - אך הם מכוונות מתכתיות או ממותק כגון:

סקאביות ומורכבות של מרק

חומרים שקופה רבים דורשים טכניקות מחיקה מיוחדות (למשל, CVD עבור גרפן, PECVD עבור ננוממברנס סיליקון) כי עדיין לא תואמות ייצור בנפח גבוה. integrating מאות ערוצים עם עקבות שקוף גם דרישות דיוק ליתרפי שקוף כי יכול להיות מאתגר על תת-שכבות גמישות.הההההההההה של מערךים אלקטרודה שקוף לעתים קרובות נמוך יותר ממערך מתכתי, נהיגה במידה רבה.

זמינות ביולוגית מעבר לשלב האינטימי

מחקרים לטווח קצר מראים ביו-התאמה טובה לחומרים שקופה רבים, אך נתונים ארוכי טווח (>6 חודשים) הם ספאאר.לדוגמה, התגובה החיסונית הכרונית לפיתיקים גרפיניים או לפירוק מוצרים של ITO (indium ions) אינה מאופיינת לחלוטין.בטיחות של PEDOT:PSS השפלה על ידי תוצרים בתוך המוח היא גם לא ידועה.

השפעות אור ואפקטים אור

למרות חומרים שקופים נועדו להעביר אור, חלק קטן עדיין נספג.על גירוי אופטי ממושך (למשל, דקות של תאורה לייזר בעוצמה גבוהה עבור אופטיקוגנטים), האנרגיה הנספסת עדיין עלולה לגרום חימום מקומי של אלקטרודה ורקמות הסובבות, עלול להזיק נוירונים או שינוי הפעילות שלהם.

כיוונים עתידיים וגישות מתפתחות

התחום של ממשק עצבי שקוף מתפתח במהירות, עם כמה כיוונים מרגשים שנועדו לענות על המגבלות הנוכחיות ולפתוח יישומים חדשים.

מערכות Transud ו-Miniaturated Transud

ממשקים שקופה נוכחיים tethered to חיצוני אלקטרוניקה באמצעות כבלים, אשר מגבילים את התנועה לבעלי חיים ויכולים לגרום למתח רקמות. חוקרים מפתחים פלטפורמות אלחוטיות שמשלבות מערך אלקטרודה שקוף עם שלבים מיני-מעורפליים, העברת נתונים של Bluetooth, ועברת כוח אינדוקטיבית.טיפוס מוקדם מדגים ניסויים מוטנטים ללא תשלום עם הדמיה במקביל ואלקטרופיזיולוגיה אלחוטית נוספת יכול לאפשר יישומים לא אנושיים, ובסופו של בני אדם.

שילוב רב-ממדי עם שינויים רגישים אחרים

ממשקים שקופה עתידיים עשויים לשלב הקלטה חשמלית אופטית עם שיטות אחרות כגון חישה כימית (pH, נוירוטרנסמיטרים, חמצן) ומדידת טמפרטורה. חיישנים טראנס עבור דופמין או גלוטמט כבר הוכחו על תת-שכבות גמישות.מוסיף פונקציות אלה לתוך מכשיר שקוף יחיד יספק תצוגה מקיפה עוד יותר של המיקרו-סביבה.

אינטליגנציה מלאכותית ומעבדת זמן אמת

כמות עצומה של נתונים שנוצרו על ידי מערךים שקוף של זיהוי גבוה - להקות של ערוצי אלקטרודה בשילוב עם הדמיה של וידאו - ניתוח אוטומטי של מכונות אלגוריתמים, במיוחד רשתות עצביות convolutional ורשתות עצביות, מפותחים לזהות ולסווג אותות עצביים ותמונות בזמן אמת.זה יכול לאפשר ניסויים גאופרטיביים סגורים שבו להסתגל על בסיס דפוסים המבוססים על שיטות פעילות שזוהו.

תרגום קליני: ממחקר לטיפול

בעוד עדיין בשלב המחקר, ממשק עצבי שקוף מחזיק פוטנציאל ליישומים קליניים. ניטור אפילפסיה, הם יכולים לספק הקלטה חשמלית בו זמנית הדמיה אופטית של התפשטות. עבור ממשקי המוח בשיתוק, רשת קוטורית שקוף יכול לאפשר פעילות המוח החזותית של המטופל עצמו להיות מצולם תוך שליטה במכשירים אסתטיים.

חומרים היברידיים ו-Nanocomposites

כדי להתגבר על המסחר השקיפות-conductivity Trading-off, החוקרים מפתחים חומרים היברידיים המשלבים רכיבים שונים ב- nanoscale.לדוגמה, רשתות ננו-wire כסף משובצות בפולימרים שקופה מציעים מוליכות גבוהה (התנגדות לגליון מתחת ל-10 ⁇ /sq) עם > 85% שקיפות. בדומה, גרף-מטאל ננו-מול חלקיקים יכולים להגביר את יכולת ההזרקה ללא הקרבה של בהירות אופטית.

מסקנה

ממשקים עצביים טרנסנדים מייצגים שינוי פרדיגמטי ב-Norטכנולוגיה, ומאפשרים לחוקרים לראות את המוח תוך הקשבה לפעילות החשמלית שלו.פיתוח החומרים כמו גרפן, PEDOT:PSS, ITO, וננו-חומרים סיליקון אפשר את החקירה הכפולה-מוגדרית הזו, המאפשרת ניסויים שהיו בעבר בלתי ניתנים למיפוי מהיר יותר, בעוד אתגרים בטווח הארוך, ברמת יציבות, ובטיחות, ואסטרטגיות אבטחה מתקדמות יותר, הן מהירות גבוהה יותר, הן מתקדמות יותר, כמו גם מממשקים יותר, וטכניקות מתקדמות יותר, וחדשנות, וחדשנות, הן מתקדמות יותר, ומהירות גבוהה יותר, בעוד שעדיין לא פחות מתקדמות יותר, הן מהירות יותר, הן מהירות יותר, הן מתקדמות יותר, הן יכולות להיות מממשקים יותר, והן מממשקים של מערכות מתקדמות יותר, אך ורקמותקטיבית יותר, בעוד אתגרים מתקדמים יותר, בעוד אתגרים מתקדמים של מערכות אבטחה, הן מהירות יותר, תוך כדי אינטגרטיבית של מערכות אבטחה, תוך כדי אינטגרטיבית, תוך כדי אינטגרטיבית של מערכות אבטחה מתקדמות יותר, בעוד אתגרים מתקדמים יותר, תוך כדי אינטגרטיבית, בעוד אתגרים מתקדמים יותר, תוך כדי אינטגרטיבית, תוך כדי אינטגרטיבית, בעוד אתגרים מתקדמים

קישורים חיצוניים לקריאה נוספת

  1. (FLT:0)Graphene מבוסס אלקטרודות שקוף עבור אופטיקוגנטים ודמיית סידן (חומרי טבע, 2019)FLT:1
  2. (FLT:0) Transud PEDOT:PSS microelectrode מחסנים חד-פעמיים בו-זמנית ודמיית צילום שני (Science Advances, 2020)
  3. (FLT:0) Transudסיליקון אלקטרודות ננומטרה עבור הקלטה עצבית גבוהה (ACS Nano, 2020)
  4. (FLT:0) סקירת חומרים שקופה לממשקים עצביים (Frontiers in Neuroscience, 2021)
  5. (FLT:0) ,Wireless, שקוף, גמישה של בדיקה עצבית עבור הקלטות כרוניות ואופטוגניות (הנדסה ביו-רפואית טבע, 2022)