O registo da actividade de grandes populações de neurónios individuais no cérebro durante longos períodos de tempo é crucial para aprofundar a nossa compreensão dos circuitos neurais, para permitir novas terapias baseadas em dispositivos médicos e, no futuro, para interfaces cérebro-computador que requerem alta resolução. informações eletrofisiológicas.



Mas hoje existe uma compensação entre a quantidade de informação de alta resolução que um dispositivo implantado pode medir e por quanto tempo ele pode manter o desempenho de gravação ou estimulação. Implantes rígidos de silicone com muitos sensores podem coletar muitas informações, mas não podem permanecer no corpo por muito tempo. Dispositivos menores e flexíveis são menos intrusivos e podem durar mais tempo no cérebro, mas fornecem apenas uma fração da informação neural disponível.

Recentemente, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson, em colaboração com a Universidade do Texas em Austin, MIT e Axoft, Inc., desenvolveu um dispositivo implantável macio com dezenas de sensores que pode registrar a atividade de um único neurônio no cérebro de forma estável por meses.

A pesquisa foi publicada na Nature Nanotechnology.

"Desenvolvemos interfaces cérebro-eletrônicas com resolução unicelular que são mais compatíveis biologicamente do que os materiais tradicionais", disse Paul Le Floch, primeiro autor do artigo e ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Jia Liu, professor assistente de bioengenharia no SEAS. . "Este trabalho tem o potencial de revolucionar o design da bioeletrônica para registro e estimulação neural e para interfaces cérebro-computador."

Le Floch é atualmente o CEO da Axoft, Inc, uma empresa fundada em 2021 por Le Floch, Liu e Tianyang Ye, um ex-aluno de graduação e pós-doutorado no Park Group em Harvard. O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a esta pesquisa e licenciou a tecnologia para a Axoft para desenvolvimento posterior.

Para superar a compensação entre taxa de dados de alta resolução e longevidade, os pesquisadores recorreram a um grupo de materiais conhecidos como elastômeros fluorados. Os materiais fluorados, como o Teflon, são resilientes, estáveis ​​em biofluidos, têm excelente desempenho dielétrico a longo prazo e são compatíveis com técnicas padrão de microfabricação.

Os pesquisadores integraram esses elastômeros dielétricos fluorados com pilhas de microeletrodos macios – 64 sensores no total – para desenvolver uma sonda de longa duração que é 10.000 vezes mais macia do que as sondas flexíveis convencionais feitas de plásticos de engenharia de materiais, como poliimida ou parileno C.

A equipe demonstrou o dispositivo in vivo , registrando informações neurais do cérebro e da medula espinhal de camundongos ao longo de vários meses.

"Nossa pesquisa destaca que, projetando cuidadosamente vários fatores, é viável projetar novos elastômeros para interfaces neurais estáveis ​​a longo prazo", disse Liu, que é o autor correspondente do artigo. "Este estudo pode expandir a gama de possibilidades de design para interfaces neurais."

A equipe de pesquisa interdisciplinar também incluiu os professores do SEAS Katia Bertoldi, Boris Kozinsky e Zhigang Suo.

"Projetar novas sondas e interfaces neurais é um problema muito interdisciplinar que requer conhecimentos em biologia, engenharia elétrica, ciência dos materiais, engenharia mecânica e química", disse Le Floch.

A pesquisa foi coautoria de 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.

Mais informações: Paul Le Floch et al, sondas neurais in vivo 3D espacialmente escaláveis ​​espacialmente baseadas em elastômeros fluorados, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01545-6
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard