Forscher der Carnegie Mellon University haben das CMU Array entwickelt, eine neue Art von Mikroelektroden-Array für Gehirn-Computer-Schnittstellenplattformen. Es birgt das Potenzial, die Art und Weise, wie Ärzte neurologische Störungen behandeln können, zu verändern.
Das im Nanomaßstab 3D-gedruckte Mikroelektroden-Array (MEA) mit ultrahoher Dichte ist vollständig anpassbar. Dies bedeutet, dass Patienten, die an Epilepsie oder Gliedmaßenfunktionsverlust aufgrund eines Schlaganfalls leiden, eines Tages eine personalisierte medizinische Behandlung erhalten könnten, die auf ihre individuellen Bedürfnisse zugeschnitten ist.
Die Zusammenarbeit vereint die Expertise von Rahul Panat, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, und Eric Yttri, Assistenzprofessor für Biowissenschaften. Das Team wandte die neueste Mikrofabrikationstechnik, den Aerosol Jet 3D-Druck, an, um Arrays herzustellen, die die größten Designbarrieren anderer BCI-Arrays (Brain Computer Interface) überwanden. Die Ergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.
Der Aerosol Jet 3D-Druck bot drei große Vorteile. Benutzer können ihre MEAs an ihre jeweiligen Bedürfnisse anpassen; die MEAs können im Gehirn dreidimensional wirken; und die Dichte der MEA wird erhöht und damit robuster.“
Rahul Panat, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, Carnegie Mellon University
MEA-basierte BCIs verbinden Neuronen im Gehirn mit externer Elektronik, um die Gehirnaktivität zu überwachen oder zu stimulieren. Sie werden häufig in Anwendungen wie neuroprothetischen Geräten, künstlichen Gliedmaßen und visuellen Implantaten eingesetzt, um Informationen vom Gehirn zu Extremitäten zu transportieren, die ihre Funktionalität verloren haben. BCIs haben auch potenzielle Anwendungen bei der Behandlung neurologischer Erkrankungen wie Epilepsie, Depression und Zwangsstörungen. Bestehende Geräte weisen jedoch Einschränkungen auf.
Es gibt zwei Arten beliebter BCI-Geräte. Das älteste MEA ist das Utah-Array, das an der University of Utah entwickelt und 1993 patentiert wurde. Dieses auf Silikon basierende Array verwendet ein Feld aus winzigen Stiften oder Schäften, die direkt in das Gehirn eingeführt werden können, um elektrische Entladungen von Neuronen am Gehirn zu erkennen Spitze jedes Stifts.
Ein anderer Typ ist das Michigan-Array, das auf flache, empfindliche Silikonchips gedruckt wird. Es liest die Elektronen, während sie über die Chips schießen. Aufgrund von Designbeschränkungen können beide Arrays nur auf einer zweidimensionalen Ebene aufzeichnen. Das bedeutet, dass sie nicht an die Bedürfnisse jedes einzelnen Patienten oder jeder Anwendung angepasst werden können.
Der wichtigste Aspekt einer MEA ist ihre dreidimensionale Abtastfähigkeit, die durch die Dichte der Mikroelektroden im Array und die Fähigkeit, diese Arrays genau an der Stelle zu positionieren, die man erfassen möchte, begrenzt wird. Moderne MEA-Herstellungstechniken haben enorme Fortschritte hinsichtlich der Dichte dieser Mikroelektrodenarrays gemacht. Das Hinzufügen der dritten Dimension erhöht die Sampling-Fähigkeit der Arrays erheblich. Darüber hinaus ermöglichen maßgeschneiderte MEAs für jede spezifische Anwendung genauere und zuverlässigere Messwerte.
Das CMU-Array der Forscher ist das dichteste BCI, etwa eine Größenordnung dichter als die BCIs des Utah-Arrays.
Hochwertigere MEAs sind gefragt. MEAs, die zur Steuerung virtueller Aktionen am Computer oder komplexer Gliedmaßenbewegungen eingesetzt werden, stoßen an die Grenzen der aktuellen Technologie. Fortgeschrittenere Anwendungen erfordern MEAs, die auf jeden Einzelnen zugeschnitten sind und eine viel höhere Wiedergabetreue aufweisen als die derzeit verfügbaren.
„Innerhalb weniger Tage können wir jetzt ein Präzisionsmedizingerät herstellen, das auf die Bedürfnisse eines Patienten oder Experimentators zugeschnitten ist“, sagt Yttri, Co-Senior-Autor der Studie. Darüber hinaus werden Technologien wie die Stimulation des visuellen Kortex und die Steuerung künstlicher Gliedmaßen zwar von der Öffentlichkeit erfolgreich eingesetzt, die Möglichkeit, das Steuerungssystem im Gehirn zu personalisieren, könnte jedoch den Weg für enorme Fortschritte auf diesem Gebiet ebnen.
Panat prognostiziert, dass es fünf Jahre dauern könnte, bis es zu Tests am Menschen kommt, und sogar noch länger, bis es zu einer kommerziellen Nutzung kommt. Das Team freut sich, diesen erfolgreichen Prozess anderen Forschern auf diesem Gebiet zur Verfügung zu stellen, um mit dem Testen einer Vielzahl von Anwendungen zu beginnen.
Ein Patent auf die CMU-Array-Architektur und das Herstellungsverfahren ist angemeldet. Der nächste Schritt, so Panat, bestehe darin, mit den National Institutes of Health (NIH) und anderen Geschäftspartnern zusammenzuarbeiten, um diese Erkenntnisse so schnell wie möglich in andere Labore zu übertragen und Fördermittel für die Kommerzialisierung dieser Technologie zu beantragen.
Die Forschung wird von der Brain Research Through Advancing Innovation Neurotechnologies (BRAIN) Initiative des NIH finanziert.
Quelle:
College of Engineering, Carnegie Mellon University
Referenz:
Saleh, MS, et al. (2022) CMU Array: Eine 3D-nanogedruckte, vollständig anpassbare Mikroelektroden-Array-Plattform mit hoher Dichte. Wissenschaftliche Fortschritte. doi.org/10.1126/sciadv.abj4853.
.
