Биоинженеры создают ультрамалый, активируемый светом электрод для нервной стимуляции

By Алина Игнатенко No comments

Биоинженеры Питта создают ультрамалый, активируемый светом электрод для нейронной стимуляции
                Лазер, излучаемый на необработанный сверхмалый электрод из углеродного волокна для стимуляции нейронов с помощью фотоэлектрического эффекта. Предоставлено: J. Mater. Химреагент B, 2015,3, 4965-4978 — Воспроизведено с разрешения Королевского химического общества.

ПИТТСБУРГ (15 февраля 2019 г.) … Нервная стимуляция — это развивающаяся технология, которая оказывает полезное терапевтическое воздействие при неврологических расстройствах, таких как болезнь Паркинсона. Несмотря на то, что было сделано много достижений, имплантированные устройства со временем разрушаются и вызывают образование рубцов в нервной ткани. В недавно опубликованной статье Takashi D. Y. Kozai из Университета Питтсбурга был описан менее инвазивный метод стимуляции, при котором использовался необработанный сверхмалый электрод, активируемый светом, — техника, которая может уменьшить ущерб, наносимый существующими методами.
                                                                                       

«Обычно при нервной стимуляции для поддержания связи между разумом и машиной существует чрескожный кабель от имплантированного электрода внутри мозга к контроллеру вне тела», — говорит Козай, доцент биоинженерии в Школе инженерства Свитсона Питта. «Движение мозга или этой привязи приводит к воспалению, образованию рубцов и другим негативным побочным эффектам. Мы надеемся уменьшить некоторые повреждения, заменив этот большой кабель длинноволновым светом и сверхмалым, неуправляемым электродом».

Кейлин Стокинг, старшая студентка факультета биоинженерии и компьютерной инженерии, была первым автором статьи под названием «Внутрикортикальная нервная стимуляция с помощью ультрамелых углеродных волоконных электродов, опосредованных фотоэлектрическим эффектом» (DOI: 10.1109/TBME.2018.2889832). Она работает с группой Козаи — Bionic Lab — чтобы исследовать, как исследователи могут улучшить долговечность технологии нейронных имплантатов. Эта работа была выполнена в сотрудничестве с Альберто Васкесом, научным сотрудником профессора радиологии и биоинженерии в Питте.

Фотоэлектрический эффект — это когда частица света или фотон попадает на объект и вызывает локальное изменение электрического потенциала. Группа Козая обнаружила свои преимущества при проведении других исследований изображений. Основываясь на публикации Эйнштейна 1905 года об этом эффекте, они ожидали увидеть электрические фототоки только на ультрафиолетовых волнах (фотоны высоких энергий), но они испытали нечто иное.

«Когда фотоэлектрический эффект загрязнил нашу электрофизиологическую запись при съемке с помощью лазера ближнего инфракрасного диапазона (фотоны низкой энергии), мы были немного удивлены», — объяснил Козай. «Оказалось, что исходное уравнение нужно было изменить, чтобы объяснить этот результат. Мы пытались использовать многочисленные стратегии для устранения этого фотоэлектрического артефакта, но безуспешно в каждой попытке, поэтому мы превратили» ошибку «в» особенность «.»

«Наша группа решила использовать эту функцию фотоэлектрического эффекта для нашего преимущества в нервной стимуляции», — сказал Стокинг. «Мы использовали изменение электрического потенциала с помощью лазера ближнего инфракрасного диапазона, чтобы активировать отвязанный электрод в мозге».

Лаборатория создала имплантат из углеродного волокна диаметром 7-8 микрон или размером примерно с нейрон (17-27 микрон), и Стокинг симулировал их метод на фантомном мозге с использованием двухфотонного микроскопа. Она измерила свойства и проанализировала эффекты, чтобы увидеть, стимулирует ли электрический потенциал от фотоэффекта клетки таким же образом, как традиционная нейронная стимуляция.

«Мы обнаружили, что фотостимуляция эффективна», — сказал Стокинг. «Повышение температуры не было значительным, что снижает вероятность теплового повреждения, и активированные клетки были ближе к электроду, чем при электростимуляции в аналогичных условиях, что указывает на повышение пространственной точности».

«Чего мы не ожидали увидеть, так это того, что этот фотоэлектрический метод стимуляции позволяет нам стимулировать другую и более дискретную популяцию нейронов, чем можно было бы достичь с помощью электрической стимуляции». Козай сказал: «Это дает исследователям еще один инструмент в их наборе инструментов для исследования нервных цепей в нервной системе.

«У нас было множество критиков, которые не верили в математические модификации, которые были сделаны в исходное фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна, но мы верили в этот подход и даже подали заявку на патент» (патент находится на рассмотрении: US20170326381A1), сказал Козай , «Это свидетельствует о кропотливой работе Кейлин, которая взяла теорию и превратила ее в хорошо контролируемую валидацию технологии».

Группа Козаи в настоящее время изучает другие возможности для продвижения этой технологии, включая более глубокие ткани и беспроводную доставку лекарств./p>

Добавить комментарий