Umělé neurony tištěné jako inkoust komunikují s živými mozkovými buňkami

Propast mezi elektronikou a biologií

Jedním z nejobtížnějších inženýrských problémů v neurovědě bylo po desetiletí vytvořit elektroniku, která by hovořila jazykem mozku. Konvenční křemíkové čipy pracují se stabilními napěťovými signály, ale biologické neurony komunikují prostřednictvím rychlých, nepravidelných elektrických výbojů. Překlenutí tohoto nesouladu je zásadní pro neuroprotetiku – zařízení, která obnovují ztracený sluch, zrak nebo pohyb přímým propojením s nervovým systémem. Nová generace tištěných umělých neuronů tuto propast zmenšuje.

Co jsou umělé neurony?

Umělý neuron je elektronické zařízení navržené tak, aby napodobovalo výbojové chování skutečné nervové buňky. V biologii neuron akumuluje elektrický náboj, dokud nepřekročí práh, poté vyšle krátký výboj a resetuje se – tento vzorec se nazývá integruj-a-vystřel. Umělé neurony replikují tento cyklus pomocí specializovaných obvodových prvků namísto iontových kanálů a buněčných membrán.

Kritickou součástí nejnovějších zařízení je memristor – rezistor s pamětí. Po přivedení napětí se uvnitř materiálu vytvoří drobné vodivé vlákno, které umožňuje průtok proudu v náhlém výbuchu, který se velmi podobá biologickému výboji. Jakmile se vlákno přeruší, zařízení se resetuje a cyklus může začít znovu. Laděním materiálů a geometrie mohou vědci upravit frekvenci, amplitudu a časování výbojů tak, aby odpovídaly vzorcům, které skutečné neurony očekávají.

Tisk neuronů jako inkoustu na papír

Vědci z Northwestern University, vedení materiálovým vědcem Markem Hersamem, demonstrovali ve studii publikované v Nature Nanotechnology, že umělé neurony lze vyrábět přístupem bližším inkoustové tiskárně než továrně na polovodiče. Tým formuloval elektronické inkousty z nanočástic disulfidu molybdenu (MoS₂) – polovodiče – a grafenu – elektrického vodiče.

Pomocí aerosolového tryskového tisku se inkousty nanášejí na tenké, flexibilní polymerové fólie. Klíčová inovace spočívá v částečném rozkladu polymerního stabilizátoru v inkoustu, spíše než v jeho úplném odstranění. Když proud protéká zařízením, dochází k dalšímu rozkladu nerovnoměrně, čímž se vytvářejí vodivá vlákna nezbytná pro výbojové chování. Výsledné obvody mohou vysílat výboje s laditelnou frekvencí až 20 kHz a zůstat stabilní po více než milion cyklů.

Komunikace s živou tkání

Skutečný průlom nastává, když se tyto tištěné neurony setkají s biologickými. V experimentech na řezech myší mozkové tkáně generovaly umělé neurony elektrické výboje dostatečně realistické, aby aktivovaly živé neurony, čímž vyvolaly měřitelné reakce ve skutečných mozkových buňkách. Tato úroveň biokompatibility je předpokladem pro jakékoli zařízení určené k implantaci.

Tradiční rozhraní mozek-stroj se spoléhají na rigidní mikroelektrodová pole – drobné mřížky kovových kontaktů implantované do lebky. Fungují, ale tuhé materiály mohou časem poškodit měkkou mozkovou tkáň, což způsobí zjizvení, které zhoršuje signál. Tištěné neurony na flexibilních substrátech by se mohly přizpůsobit povrchu mozku, čímž by se snížilo poškození tkáně a prodloužila životnost zařízení.

Proč je to důležité pro neuroprotetiku

Rozhraní mozek-stroj již umožňují pozoruhodné výkony. Klinické studie ukázaly, že implantovaná pole mohou dekódovat rukopis, řeč a složité motorické úmysly z kortikální aktivity, což umožňuje paralyzovaným pacientům psát, mluvit prostřednictvím syntetizátoru nebo ovládat robotickou paži. Současná zařízení jsou však drahá na výrobu, rigidní a vyžadují invazivní chirurgický zákrok.

Tištěné umělé neurony řeší několik z těchto omezení současně:

• Cena: Tisk je aditivní – materiál jde pouze tam, kde je potřeba – což snižuje výrobní odpad a náklady ve srovnání s litografií v čistých prostorách.
• Flexibilita: Polymerové substráty se ohýbají s tělem, čímž se snižuje mechanický nesoulad, který způsobuje zjizvení tkáně.
• Škálovatelnost: Stejný tiskový proces by mohl vyrábět zařízení ve velkých sériích, čímž by se neuroprotetika stala dostupnější.

Výzvy do budoucna

Tištěné neurony, které fungují na řezech mozku v laboratoři, ještě nejsou připraveny k implantaci do člověka. Dlouhodobá biokompatibilita, bezdrátový přenos energie a integrace s imunitní obranou těla zůstávají otevřenými inženýrskými problémy. Regulační schválení jakéhokoli implantovaného neuronového zařízení také vyžaduje roky bezpečnostního testování.

Nicméně schopnost tisknout flexibilní, levnou elektroniku, která skutečně komunikuje s biologickými neurony, představuje významný milník. Jak poznamenávají vědci z Northwesternu, posouvá to obor blíže k budoucnosti, kde by oprava poškozeného nervového systému mohla začít zařízením postaveným na stolní tiskárně.