Onderzoekers hebben een ultra-dunne, flexibele en minimaal invasieve neurale sonde ontworpen die niet alleen neurale activiteit kan registreren, maar ook licht kan gebruiken om specifieke groepen neuronen te stimuleren.
Deze sonde, beschreven in een nieuw onderzoek in Nature Communications, is ongeveer een{0}}vijfde van de breedte van een mensenhaar en is zeer-geschikt voor het bestuderen van kleine, mobiele gebieden van het zenuwstelsel, zoals het ruggenmerg of perifere zenuwen (de zenuwen buiten de hersenen en het ruggenmerg die informatie overbrengen tussen de hersenen en de rest van het lichaam).
Dit is waar je een heel kleine, flexibele sonde nodig hebt die tussen de wervels kan worden geïmplanteerd om verbindingen met neuronen te maken en die kan buigen als het ruggenmerg beweegt", zegt co-senior auteur Axel Nimmerjahn, universitair hoofddocent aan het Waitt Advanced Biophotonics Center van het Salk Institute for Biological Studies in de Verenigde Staten.
Neurale sondes kunnen ook voor langere tijd worden geïmplanteerd omdat ze beter compatibel zijn met biologische weefsels en minder snel een immuunreactie veroorzaken.
Donald Sirkis, hoogleraar nano-engineering aan de Jacobs School of Engineering en co-senior auteur van het onderzoek, zei: "Voor chronische neurale interfaces heb je een sluipende sonde nodig - iets waarvan het lichaam niet eens weet dat het bestaat, maar dat nog steeds met neuronen kan communiceren." Aan de Universiteit van Californië, San Diego.
Wat deze sonde onderscheidt van andere bestaande ultra{0}}dunne, flexibele sondes is dat hij bestaat uit een elektrisch kanaal en een optisch kanaal, waardoor hij de elektrische activiteit van neuronen kan registreren en licht kan gebruiken om specifieke groepen neuronen te stimuleren.
Het is een unieke combinatie om deze dubbele modus - elektrische opname en optische stimulatie - op zo'n klein oppervlak te hebben,' legt Sirbuly uit.
De nieuwe neurale sonde is een knap staaltje techniek.
Het elektrische kanaal bevat een ultradunne polymeerelektrode (die elektriciteit kan geleiden), terwijl het optische kanaal een ultradunne optische vezel bevat die licht doorlaat. Om de twee in dezelfde neurale sonde te plaatsen, is heel slimme techniek vereist.
De kanalen moeten worden geïsoleerd om te voorkomen dat ze elkaar hinderen wanneer ze worden geïnstalleerd in een microsonde met een diameter van slechts 8 tot 14 micron. Onderzoekers moeten er ook voor zorgen dat de sondes flexibel, duurzaam en biocompatibel zijn en net zo goed kunnen presteren als de bestaande, geavanceerde neurale sondes.
Eenmaal vervaardigd, worden de neurale sondes gedurende maximaal een maand in de hersenen van levende muizen geïmplanteerd, waarbij ze vrijwel geen ontstekingen in het hersenweefsel veroorzaken.
Deze sondes kunnen de elektrische activiteit van neuronen met een hoge gevoeligheid registreren en kunnen ook worden gebruikt om neuronen in de muizencortex te stimuleren hun snorharen te bewegen.
Op dit moment weten we heel weinig over hoe het ruggenmerg werkt, hoe het informatie verwerkt en hoe de neurale activiteit ervan wordt verstoord of beschadigd onder bepaalde ziekteomstandigheden, ‘zei Nimmerjahn.
Opnemen vanaf zulke dynamische en kleine structuren is altijd een technische uitdaging geweest. Wij geloven dat onze sondes en toekomstige sonde-arrays het unieke potentieel hebben om ons te helpen het ruggenmerg te bestuderen -, niet alleen om het op een fundamenteel niveau te begrijpen, maar ook om de activiteit ervan te kunnen reguleren.
Omdat microvezels van vrijwel elke lengte kunnen worden vervaardigd, kan het productieproces bovendien worden gebruikt om neurale sondes te ontwikkelen die diepere hersengebieden kunnen bereiken. Omdat de stijfheid van de sonde echter afneemt naarmate de lengte toeneemt, kan het nodig zijn om het ontwerp - te veranderen, zoals een oplosbare suikercoating of een stijve polymeerlaag - om buigen te voorkomen.
