California San Diego Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, yüzeyinde otururken beynin derinliklerindeki aktivite hakkında bilgi sağlayan bir sinir implantı geliştirdiler. İmplant, yoğun bir dizi grafen elektrotla doldurulmuş ince, şeffaf ve esnek bir polimer şeritten oluşuyor. Transgenik farelerde test edilen teknoloji, araştırmacıları, beyin yüzeyinden alınan kayıtları kullanarak derin sinirsel aktivite hakkında yüksek çözünürlüklü veriler sağlayan minimal invazif bir beyin-bilgisayar arayüzü (BCI) oluşturmaya bir adım daha yaklaştırıyor.

Çalışma 11 Ocak'ta yayınlandı. Doğa Nanoteknolojisi.

Bu teknolojiyle sinir kayıtlarının mekansal erişimini genişletiyoruz. İmplantımız beynin yüzeyinde bulunsa da tasarımı, daha derin katmanlardan sinirsel aktivite çıkarımı yapabilmesi açısından fiziksel algılamanın sınırlarını aşıyor."

Duygu Kuzum, kıdemli çalışma yazarı, UC San Diego Jacobs Mühendislik Okulu Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümünde profesör

Bu çalışma mevcut nöral implant teknolojilerinin sınırlamalarının üstesinden gelmektedir. Örneğin mevcut yüzey dizileri minimal düzeyde istilacıdır ancak beynin dış katmanlarının ötesindeki bilgileri yakalama yeteneğinden yoksundurlar. Bunun aksine, beyne nüfuz eden ince iğneli elektrot dizileri daha derin katmanları araştırma kapasitesine sahiptir, ancak bunlar sıklıkla iltihaplanma ve yara izine yol açarak zamanla sinyal kalitesini bozar.

UC San Diego'da geliştirilen yeni sinir implantı her iki dünyanın da en iyisini sunuyor.

İmplant, beyin yüzeyine uyum sağlayan ince, şeffaf ve esnek bir polimer şerittir. Şerit, her biri 20 mikrometre çapında olan, yüksek yoğunluklu küçük, dairesel grafen elektrot dizisi ile gömülüdür. Her elektrot mikrometre inceliğinde bir grafen tel ile bir devre kartına bağlanır.

Transgenik fareler üzerinde yapılan testlerde implant, araştırmacıların iki tür sinirsel aktivite (elektriksel aktivite ve kalsiyum aktivitesi) hakkında aynı anda yüksek çözünürlüklü bilgi yakalamasını sağladı. İmplant beynin yüzeyine yerleştirildiğinde dış katmanlardaki nöronlardan gelen elektrik sinyallerini kaydetti. Aynı zamanda araştırmacılar, yüzeyin 250 mikrometre kadar derininde bulunan nöronlardan gelen kalsiyum sivri uçlarını görüntülemek için implantın içinden lazer ışığı geçirmek için iki fotonlu bir mikroskop kullandılar. Araştırmacılar yüzeydeki elektrik sinyalleri ile daha derin katmanlardaki kalsiyum artışları arasında bir korelasyon buldu. Bu korelasyon, araştırmacıların, yalnızca büyük nöron popülasyonları için değil, aynı zamanda bireysel nöronlar için de çeşitli derinliklerdeki kalsiyum aktivitesini tahmin etmek üzere sinir ağlarını eğitmek için yüzey elektrik sinyallerini kullanmasını sağladı.

Kuzum, "Sinir ağı modeli, yüzeydeki elektrik kayıtları ile derinlemesine nöronların kalsiyum iyonu aktivitesi arasındaki ilişkiyi öğrenmek için eğitildi" dedi. "Bu ilişkiyi öğrendiğinde, modeli yüzeydeki derinlik aktivitesini tahmin etmek için kullanabiliriz."

Kalsiyum aktivitesini elektrik sinyallerinden tahmin edebilmenin bir avantajı, görüntüleme deneylerinin sınırlamalarının üstesinden gelmesidir. Kalsiyum artışlarını görüntülerken deneğin kafasının mikroskop altında sabitlenmesi gerekir. Ayrıca bu deneyler bir seferde yalnızca bir veya iki saat sürebilir.

Çalışmanın ilk yazarlarından elektrik ve bilgisayar mühendisi Mehrdad Ramezani, "Elektrik kayıtları bu sınırlamalara sahip olmadığından, teknolojimiz, deneğin serbestçe hareket edebildiği ve karmaşık davranışsal görevleri yerine getirebildiği daha uzun süreli deneyler yapmayı mümkün kılıyor" dedi. Doktora Kuzum'un laboratuvarındaki öğrenci. "Bu, dinamik, gerçek dünya senaryolarında sinirsel aktivitenin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlayabilir."

Nöral implantın tasarlanması ve üretilmesi

Teknoloji, başarısını çeşitli yenilikçi tasarım özelliklerine borçludur: şeffaflık ve yüksek elektrot yoğunluğunun makine öğrenimi yöntemleriyle birleşimi.

Kuzum, "Yüksek yoğunlukta gömülü olan bu yeni nesil şeffaf grafen elektrotlar, sinirsel aktiviteyi daha yüksek uzaysal çözünürlükle örneklememize olanak tanıyor" dedi. "Sonuç olarak sinyallerin kalitesi önemli ölçüde artıyor. Bu teknolojiyi daha da dikkat çekici kılan şey, yüzey sinyallerinden derin sinirsel aktiviteyi tahmin etmeyi mümkün kılan makine öğrenimi yöntemlerinin entegrasyonudur."

Bu çalışma, UC San Diego'daki birden fazla araştırma grubunun ortak bir çabasıydı. Multimodal sinirsel arayüzlerin geliştirilmesinde dünya liderlerinden biri olan Kuzum'un liderliğindeki ekipte, grafen malzemeler için ileri mikro ve nanofabrikasyon teknikleri konusunda uzmanlaşmış nanomühendislik profesörü Ertuğrul Çubukçu; laboratuvarı temel sinir bilimi, sinyal işleme ve sinir sinyallerinin kodunu çözmek için makine öğrenimi alanlarındaki alana özgü bilgileri birleştiren elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü Vikash Gilja; ve laboratuvarı esnek davranışların altında yatan sinir devresi mekanizmalarını araştırmaya odaklanan nörobiyoloji ve sinir bilimleri profesörü Takaki Komiyama.

Şeffaflık bu nöral implantın temel özelliklerinden biridir. Geleneksel implantlar, elektrotları ve telleri için, görüntüleme deneyleri sırasında elektrotların altındaki nöronların görünümünü engelleyen opak metal malzemeler kullanır. Buna karşılık, grafen kullanılarak yapılan bir implant şeffaftır ve bu, görüntüleme deneyleri sırasında mikroskop için tamamen net bir görüş alanı sağlar.

Kuzum, "Elektrik sinyallerinin kaydedilmesi ve sinirsel aktivitenin optik olarak görüntülenmesinin aynı anda kusursuz entegrasyonu ancak bu teknolojiyle mümkün" dedi. "Her iki deneyi aynı anda yürütebilmek bize daha alakalı veriler sağlıyor çünkü görüntüleme deneylerinin elektrik kayıtlarına nasıl zamanla bağlı olduğunu görebiliyoruz."

İmplantı tamamen şeffaf hale getirmek için araştırmacılar, elektrotları devre kartına bağlamak için geleneksel metal teller yerine süper ince, uzun grafen teller kullandılar. Ancak Ramezani, tek bir grafenin ince, uzun bir tel olarak üretilmesinin zor olduğunu çünkü herhangi bir kusurun teli işlevsiz hale getireceğini açıkladı. "Grafen telde elektrik sinyalinin geçmesini engelleyen bir boşluk olabilir, bu nedenle sonuçta telin kopmasıyla karşılaşırsınız."

Araştırmacılar bu konuyu akıllıca bir teknik kullanarak ele aldılar. Telleri tek bir grafen tabakası olarak üretmek yerine, ortasında nitrik asit katkılı çift tabaka halinde ürettiler. Ramezani, "Birbiri üzerine iki kat grafen yerleştirildiğinde, bir katmandaki kusurların diğer katman tarafından maskelenmesi ve iyileştirilmiş iletkenliğe sahip tamamen işlevsel, ince ve uzun grafen tellerin oluşturulmasının sağlanması ihtimali yüksektir" dedi.

Araştırmacılara göre bu çalışma, bugüne kadar yüzeye oturan bir nöral implant üzerindeki en yoğun şekilde paketlenmiş şeffaf elektrot dizisini ortaya koyuyor. Yüksek yoğunluğun elde edilmesi, son derece küçük grafen elektrotların üretilmesini gerektiriyordu. Grafen elektrotların boyut olarak küçülmesi empedanslarını arttırdığından, bu önemli bir zorluk teşkil ediyordu; bu, sinirsel aktiviteyi kaydetmek için gereken elektrik akımının akışını engelliyor. Bu engelin üstesinden gelmek için araştırmacılar, Kuzum'un laboratuvarı tarafından geliştirilen ve platin nanopartiküllerinin grafen elektrotlara biriktirilmesini içeren bir mikrofabrikasyon tekniğini kullandılar. Bu yaklaşım, elektrotların küçük ve şeffaf kalmasını sağlarken elektrotların içinden elektron akışını önemli ölçüde geliştirdi.

Sonraki adımlar

Ekip bundan sonra teknolojiyi farklı hayvan modellerinde test etmeye odaklanacak ve nihai hedef gelecekte insan çevirisi olacak.

Kuzum'un araştırma grubu aynı zamanda temel sinirbilim araştırmalarını ilerletmek için teknolojiyi kullanmaya da kendini adamıştır. Bu ruhla, teknolojiyi ABD ve Avrupa'daki laboratuvarlarla paylaşıyorlar ve beyindeki vasküler aktivitenin elektriksel aktiviteyle nasıl eşleştiğini anlamaktan, beyindeki yer hücrelerinin mekansal hafıza yaratmada nasıl bu kadar etkili olduğunu araştırmaya kadar çeşitli çalışmalara katkıda bulunuyorlar. . Kuzum'un ekibi, bu teknolojiyi daha geniş çapta kullanılabilir hale getirmek için, üretimi artırma ve dünya çapındaki araştırmacılar tarafından benimsenmesini kolaylaştırma çabalarını finanse etmek amacıyla Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) hibesine başvurdu.

Kuzum, "Bu teknoloji pek çok farklı temel sinirbilim araştırması için kullanılabilir ve biz de insan beyninin daha iyi anlaşılmasına yönelik ilerlemeyi hızlandırmak için üzerimize düşeni yapmaya istekliyiz" dedi.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://www.news-medical.net/news/20240111/UC-San-Diego-develops-revolutionary-neural-implant-for-deep-brain-recordings.aspx