Nöroteknolojideki Sonraki Sınır: Zorlu Neural Interfaces

Beyin insan vücudunda en karmaşık organ kalır ve karmaşık devrelerini okumak, cihazın kendisi aracılığıyla optimizasyon ve optik erişim arasında uzun süre gerekli olan ticari uyarıları gerektirir. Geleneksel sinir probları - metal elektrotlar, silikon shanks ve mikro Wi-ler - mükemmel elektrik sinyalleri ama ışık, araştırmacıların bu tür kalsiyum görüntülemeleri ve optik görüntülemeleri nasıl bir araya getirdikleri gibi bir araya getirmelerine izin verir.

Neural Interfaces Nedir?

Makul sinir arabirimleri, cihazı kaydetmek ve beyin dokusunu teşvik edebilecek şekilde implant edilebilir veya yüzey destekli cihazlardır, çünkü tanımlı elektrofiziksel ölçümler genellikle görünür ve yakın çevredeki optik şeffaflık derecesidir.Bu şeffaflık, cihazın hem de görüntülenmesi için ışık sağlar ve beyin dokusuna göre, aynı anda elektrofiziksel ölçümler ve optik ölçümler sağlar - geleneksel opak elektrofizyoloji ile imkansız olan elektrofizyoloji ve optik elektrot elektrot elektrofizyoloji ve optik elektrofiziğe olanak sağlar.

Bu cihazlar genellikle şeffaf bir substrattan (örneğin esnek polimerler veya ultratin cam gibi) yüzeyde şeffaf iletken elektrotlar dizisi ile oluşur. elektrotlar, şeffaf veya minimum olarak obive yollarla dış elektroniklere bağlanır.Indüktör veya implante edildiğinde, arayüz aynı zamanda elektrik okumaları sağlar.

Anahtar Uygulamaları Transparency için gerekli olan araçları sürüş

şeffaf sinir arabirimleri için birincil sürücü optik ve elektrik sorgulama kombinasyonudur. Birkaç deneysel paradigma doğrudan bu iki modality'den faydalanır:

  • [FONT=0)Optogenetics[[DÜDÜT 1: 1): Işık hassas iyon kanalları belirli nöron popülasyonlarında ifade edilir.Sorum arabirimleri, aynı bölgeden gelen elektrik aktivitesini aynı bölgede kaydedirken ışık atabıcılarının teslim edilmesine veya engellenmesine izin verir.
  • [FONT:0)Calcium görüntüleme[[Dönetici: Fluorescent göstergeleri eylem potansiyelleri sırasında kalsiyum influxe yanıt olarak yoğunluk değişir. şeffaf bir elektrot ızgara, bu optik sinyalleri gölge eserleri olmadan veya yukarıdaki cihazdan yakalayabilir.
  • [FONT:0]Voltage görüntüleme[[[Dönetici: 1): Genetik olarak kodlanmış gerilim göstergeleri, kalsiyum sensörlerinden daha hızlı zamansal bir çözüm sunar; şeffaf arabirimler elektrik kayıtları ile gerilim görüntülemenin birleştirilmesi için gereklidir.
  • [FONT:0] İki foton mikroscopy[[Döntilmiş: Yüksek çözünürlüklü görüntüleme açık optik yollar gerektirir; opak elektrolar kirişi ve degrad görüntü kalitesini engelleyebilir.

Core Materials Used in Gap Neural Interfaces

Bir şeffaf bir sinir arayüzünün başarısı, malzemelerin seçimine eleştirel bir şekilde bağlıdır. İdeal materyal aynı anda birçok talep edilen kısıtlamayı karşılamalıdır: yüksek elektrik iletkenliği (çok sayıda malzeme veya mühendisi özgün kompozitler için kayıt ve güvenli şarj enjeksiyonu), mükemmel optik şeffaflık, mekanik esneklik, beyin dokusuna uygun olarak uzun vadeli biyokompulasyona uygun olarak ve standart mikrofabrikasyon süreçleri ile uyumluluk.

Graphene

Graphene – bir balkomb lattice'de ayarlanan tek bir karbon atom tabakası – şeffaf sinir elektrotları için bir yıldız adayı olarak ortaya çıktı. Ekstra derecede elektrik iletkenliği (bu efekt, 30 {{ /sq gibi düşük), ancak birkaç hafta boyunca kortical implantlar üzerinde az enflamatuar yanıt gösteren sayısız çalışma ile, olağanüstü mekanik esnekliği sağlar, beyin yüzeylerini eğrilemeye izin verir.

Grafikten büyük bir avantajı geleneksel yarı iletken işleme ile uyumluluktır. Kimyasal buhar ayrıştırma (CVD) aynı anda yerel alan potansiyellerini ve fluorescent kalsiyum sinyallerini kaydedebilecek geniş çaplı bir enjeksiyon kapasitesine sahiptir.

Indium Tin Oksit (ITO)

Indium tin oksit (ITO), renkli iletkenler ve fotovoltaikler için endüstriyel standarttır ve bu, sinir arayüzleri için uyarılmıştır. ITO mükemmel optik şeffaflık (85–90) ve makul derecede düşük nokta direnci (10-100 {{ /sq).

ITO'nun biyoelektronik için ana dezavantajı, sert biyolojik medyadaki kırılma, biyolojik ağlarda depolandığında, bu sorunları kolayca çözmüş olan ITO filmlerini ultratüz implantlara veya planlayıcı kotatik ızgaralara karşı sınırlamıştır. Ek olarak, ITO, akut veya kısa vadeli şeffaf bir kayıt için bir seçenek olarak kalır.

Polimerler Yapmak: PEDOT:PSS

PEDOT:PSS (poli(3,4-pidioksithiophene) polistyrene sulfonate) ince filmlerde optik şeffaflığı birleştiren bir polimerdir. Ayrıca, yüksek hacimli iyonlarda düşük maliyetli ve ölçeklenebilir hale getirir. PEDOT:PSS filmleri, 100 Ω /sq'ın altındaki bağlantı direncine sahiptir.

PEDOT'ın kritik bir avantajı: PEDOT:PSS inorganik malzemeler mekanik esnekliği ve stabilitesi nedeniyle baskılanabilir veya spin-koated to elastomerik substratlar, fikre sahip olan, ancak PEDOT:PSS, haftalar boyunca optiksel aktiviteden kaynaklanan elektrotsal ortamlardan muzdariptir.

Silikon Nanomalzemeleri

Silikon, dökme formunda, opak. Ama nano ölçekli boyutlarda, silikon, yarı iletken özellikleri korurken optik olarak şeffaf hale gelebilir. İki ana yaklaşım araştırılmıştır: silikon nanomembranes. Ultrathin silikon membranları (~10-50 nm kalın) doğrudan şeffaf bir şekilde hafife alınıp standart CMOS süreçleri kullanarak kumaşlanabilir.

Silikon nanomembranes, silikon nanobonların elektrik performansını polimerlerin esnekliği ile birleştirebilmeyi amaçlayan basit bir elektrot dizisi oluşturmak için kullanılmıştır. Bununla birlikte, optik erişim sağlamak için erken sonuçlar vaat eder ve sinir aktivitelerini teşvik eder.

Tesviçreli Oksitler (TCOs) Beyond ITO

Birkaç alternatif şeffaf iletken oksitler, floresein-doped tin oksit (FTO) dahil olmak üzere, alüminyum-doped çinko oksit (AZO), ve galyum-doped çinko oksit (GZO) ile benzer şeffaflık ve iletkenlik ITO'ya ancak potansiyel olarak daha iyi mekanik sağlamlığa ve daha düşük maliyetle karşılanır. FTO, örneğin, biyolojik sıvılarda azalmaya daha kimyasal olarak stabil ve daha az yatkındır.

Teal elektrotlar Üzerindeki Tefek Neural Interfaces Avantajları

Optik elektrot malzemelerinin şeffaflaştırılması, nörobilim araştırma ve klinik uygulamalar için birkaç dönüştürücü fayda sunar. Bu avantajlar sadece optik bir kanal ekledi; temel olarak deneysel olasılıkları değiştiriyorlar.

Simultane Modality Coupling

Tek en büyük avantaj, uzaysal veya zamansal yanlışlıkların tanıtılmasıdır: aynı nöron, elektriksel göstergeler için ayrı kayıt yaptırırken, ağ dinamiklerini anlamak ve elektrik uyarı arabirimleri ile ne zaman arasındaki fark eder.

Azaltılmış Tcon Hasarını Azaltır

Birçok şeffaf malzeme, özellikle de polimerler ve grafiklerene, sert silikon problara kıyasla kronik inflamasyonu önemli ölçüde azaltmaktadır. Esnek şeffaf arabirimler, uzun süreli beyin-makücretleri ve hafızadaki minimum yanlış eşleştirmelere uygundur.

Yüksek Çözünürlük Optik Görüntüleme

Çünkü şeffaf elektrotlar gölgeler atmıyor veya opak bölgeleri yaratmıyor, elektrotlar gibi geniş saha görüntüleme teknikleri optik yolu engeller ve mesooskopik kalsiyum görüntüleme, yapısal plastik ve aktivite değişiklikleri olmadan tüm görünüm alanını yakalayabilir.This allows high-throughput mapping of micro activity across milimetres of matrix, a scale that is difficult to achieve when elektrode tines block the optik road.The şeffaflık ayrıca haftalar boyunca aynı arayüz yoluyla kronik görüntülemeye olanak sağlar.

Minimally Invasive Implantation

Küçük ayak izi ve şeffaf arabirimlerin esnekliği, büyük krianiotomies ile ilişkili cerrahi travmayı azaltmak veya hatta bir dağıtım olarak enjekte edilebilir. Polimer bazlı arayüzler çoğaltılabilir veya katlanabilir ve sonra alttanal alana kadar, büyük krianiotomies ile ilişkili cerrahi travmayı azaltılabilir.Bu, sonunda enfeksiyon riskini ve kurtarma süresini azaltan insan uygulamaları için tercüme edebilir.

Kapalı-Loop Sistemleri için Potansiyel

Hem elektrik hem de optik okumalar entegre ederek, şeffaf arabirimler gerçek kapalı-loop deneylerini etkinleştirir: optik olarak tespit edilen bir sinir sinyali, veya tersi, ortaya çıkan gerçek zamanlı analiz boru hatlarıyla birlikte, bu, hem elektrik hem de geri bildirimden öğrenilen bir beyin-makine kapıyı açar.

Meydanlar ve Güncel Sınırlar

Sözlerine rağmen, şeffaf sinir arabirimleri, nörobilim veya klinik uygulamada rutin araçlar haline gelmeden önce üstesinden gelmeleri gereken birkaç teknik ve biyolojik engelle karşı karşıyadır.

Durability ve Long-Term Stability

Sayıcılar genellikle kanok meslektaşlarından daha az sağlamdır. Graphene tüm nefes alma ve kalp yetmezliğinden dolayı gerçekleştirilir; PEDOT:PSS degrads in salin over weeks; ITO çatlakları mekanik stres altında geliştirir, ancak genellikle biyolojik çevre serttir -enzymes, reaktif oksijen türleri ve mekanik mikropülasyon tabakaları hızlandırabilir.

Transparency ve Davranış Arasında Ticaret-off

Çoğu şeffaf iletkenler için, artan iletkenlik (film kalın veya daha ağır bir şekilde yapılır) optik iletimi azaltır ve bunun tersi. Bu ticaret-off temeldir: metal nanotel ağları veya metalik ağları yansıttır - bu özellikleri ikiye katlayın, ancak bu tür yaklaşımlar henüz tamamen olgun değildir.

Scalability and Fabrication Kompleksi

Birçok şeffaf malzeme, yüksek hacimli üretim ile uyumlu olmayan, şeffaf routing izlerinin da esnek substratlar üzerinde zor olabileceği konusunda uzman ayrıştırma teknikleri gerektirir.Politikalarda daha düşük olan silikon nanomembranesler için PECVD, daha sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan imalat olmadan, şeffaf arabirimler akademik araştırma laboratuvarlarla sınırlı kalır.

Akut fazın ötesindeki Biyokompatability Beyond The Akut Stage

Kısa süreli çalışmalar birçok şeffaf malzeme için iyi biyokompatlanabilirlik gösterir, ancak beyin içindeki uzun vadeli (>6 ay) veriler sparse. Örneğin, FDA rehberlikını takip eden kronik bağışıklık yanıtı, ITO (indium ions) ürünlerinin tamamen karakterize edilmesi için kabul edilebilir.

Isı Etkileri ve Işık Abhidrasyon

Net malzemeler ışık geçmek için tasarlanırsa, küçük bir kesik hala absorbe edilir. Uzun süreli optik uyarı (örneğin, optogenetik için yüksek güç lazer aydınlatması), absorbe edilen enerji, elektrot ve çevreleyen dokuya yerel ısıtmasına neden olabilir, potansiyel olarak zararlı nöronlar veya aktivitelerini değiştirir.

Future Yol ve Gelişen Yaklaşımlar

şeffaf sinir arabirimleri alanı hızla gelişmektedir, birçok heyecan verici yol mevcut sınırlamaları ele almak ve yeni uygulamaları açmak için hazırlanıyor.

Kablosuz ve Miniaturized Sayde Sistemleri

Mevcut şeffaf arabirimler kablolar aracılığıyla dış elektronike bağlanır, bu da hayvan hareketini sınırlayabilir ve doku sulaştırmasına neden olabilir. Araştırmacılar, şeffaf elektrot dizilerini miniaturized head stages, Bluetooth data iletimi ve inductive power transferleri ile entegre edebilir. Erken prototipler, iki foton görüntüleme ve kablosuz elektrofizyoloji ile serbest hareket eder.

Diğer Sensing Modalities ile Multimodal Entegrasyon

Gelecekteki şeffaf arabirimler, kimyasal algılama (pH, nörotransmitters, oksijen) ve sıcaklık ölçümleri gibi diğer yöntemleri ile elektrik ve optik kayıtları birleştirebilir.

Yapay Zeka ve Gerçek Zaman İşleme

Yüksek çözünürlükte şeffaf diziler tarafından üretilen geniş miktarda veri - video görüntüleme ile birlikte elektrot kanallarının - tespit edilen aktivite modellerine göre kapalı-loop deneylerinin tespit edilmesi - özellikle de konvolutional sinir ağları ve casus sinir ağları, gerçek zamanlı olarak sinir sinyalleri ve görüntüleri tanımlamak için geliştirilmektedir.

Klinik Çeviri: Terapistlere Araştırmadan

Araştırma aşamasında hala şeffaf sinir arabirimleri klinik uygulamalar için potansiyel tutar. epilepsi izlemede, aynı anda elektrik kayıt ve optik nöbet görüntüleme yayılabilir. beyin-maküler ağlarda, şeffaf bir kortal ızgaralar, hastanın kendi görsel kortektal aktivitesini beş yıl içinde başlatılabilir.

Roman Hybrid Materials ve Nanocomposites

şeffaflık ticaretini aşmak için, araştırmacılar nano ölçekli farklı bileşenleri birleştiren hibrit malzemeler geliştiriyorlar. Örneğin, şeffaf polimerlerde yer alan gümüş nanotel ağları, yalnızca 10 {{/sq) altında istenen tüm özellikleri yerine getirmek için umut verici bir yol sunar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Zorlu sinir arabirimleri, nöroteknolojide bir paradigma değişikliğini temsil eder, araştırmacıların elektrik aktivitesini dinlerken beyni görmelerine izin verir.Perzen, PEDOT:PSS, ITO ve silikon nanomalzeme teknikleri olgunlaşmış, şeffaf arabirimler daha küçük, daha sağlam ve aynı zamanda binlerce kanalda entegrasyonlarına olanak sağlar.

Dış bağlantılar için daha fazla okuma için

  1. [FONT=0) Optik ve kalsiyum görüntüleme (Doğa Malzemeleri, 2019)) için Grafik tabanlı şeffaf sinir elektrotları (Doğa Malzemeleri, 2019)[Dönetici:0)[Dönetici:0)
  2. [FONT:0)Transparent PEDOT:PSS mikroelectrode dizileri aynı anda tek bir kayıt için ve iki foton görüntüleme (Bilimsel ilerlemeler, 2020)).
  3. [0]Transbeveyn silikon nanomembrane elektrotları yüksek çözünürlükte sinirsel kayıt için (ACS Nano, 2020)).
  4. [FONT:0) Mikroeptik arayüzler için şeffaf yürütme malzemeleri (Frontiers in Neuroscience, 2021)).
  5. [FONT:0]Wireless, şeffaf, esnek sinirsel kayıtlar ve optogenetikler (Doğa Biyomedikal Mühendisliği, 2022)).