Hogyan kommunikálnak a nyomtatott mesterséges neuronok az élő agysejtekkel

A szakadék az elektronika és a biológia között

Évtizedek óta a neurológia egyik legnehezebb mérnöki problémája az agy nyelvén beszélő elektronika megépítése. A hagyományos szilícium chipek állandó feszültségjelekkel működnek, de a biológiai neuronok gyors, szabálytalan elektromos tüskéken keresztül kommunikálnak. Ennek az eltérésnek az áthidalása elengedhetetlen a neuroprotézisekhez – olyan eszközökhöz, amelyek a hallás, a látás vagy a mozgás elvesztését a közvetlenül az idegrendszerbe történő bekötéssel állítják helyre. A nyomtatott mesterséges neuronok új generációja szűkíti ezt a szakadékot.

Mik azok a mesterséges neuronok?

A mesterséges neuron egy olyan elektronikus eszköz, amelyet arra terveztek, hogy utánozza egy valódi idegsejt tüskés viselkedését. A biológiában egy neuron elektromos töltést halmoz fel, amíg át nem lépi a küszöböt, majd rövid tüskét bocsát ki, és visszaáll – ezt a mintát integrál-és-tüzel elvnek nevezik. A mesterséges neuronok ezt a ciklust speciális áramköri elemekkel, nem pedig ioncsatornákkal és sejtmembránokkal másolják.

A legújabb eszközök kritikus eleme a memrisztor – egy memória-ellenállás. Feszültség hatására apró vezetőszál képződik az anyag belsejében, amely lehetővé teszi, hogy az áram hirtelen kitörésben folyjon, ami nagyon hasonlít egy biológiai tüskéhez. Amint a szál megszakad, az eszköz visszaáll, és a ciklus újra kezdődhet. Az anyagok és a geometria finomhangolásával a kutatók beállíthatják a tüskefrekvenciát, az amplitúdót és az időzítést, hogy megfeleljenek a valódi neuronok által elvárt mintáknak.

Neuronok nyomtatása, mint a tinta a papírra

A Northwestern Egyetem kutatói, Mark Hersam anyagtudós vezetésével egy a Nature Nanotechnology-ban megjelent tanulmányban kimutatták, hogy a mesterséges neuronok egy tintasugaras nyomtatóhoz közelebb álló megközelítéssel gyárthatók, mint egy félvezetőgyárban. A csapat elektronikus tintákat állított elő molibdén-diszulfid (MoS₂) nanoléptékű pelyheiből, amely egy félvezető, és grafénből, amely egy elektromos vezető.

Aeroszol jet nyomtatással a tintákat vékony, rugalmas polimer filmekre viszik fel. A kulcsfontosságú újítás a polimer stabilizátor részleges lebontása a tintában, ahelyett, hogy teljesen eltávolítanák. Amikor áram folyik át az eszközön, további lebomlás következik be egyenetlenül, létrehozva a tüskés viselkedéshez elengedhetetlen vezetőszálakat. A kapott áramkörök hangolható frekvenciákon, akár 20 kHz-ig is tüskét bocsáthatnak ki, és több mint egymillió ciklusig stabilak maradnak.

Kommunikáció élő szövettel

Az igazi áttörés az, ami akkor történik, amikor ezek a nyomtatott neuronok találkoznak a biológiaiakkal. Egér agyszövet szeleteken végzett kísérletekben a mesterséges neuronok elég valósághű elektromos tüskéket generáltak ahhoz, hogy aktiválják az élő neuronokat, mérhető válaszokat váltva ki a valódi agysejtekben. Ez a szintű biokompatibilitás előfeltétele minden beültetésre szánt eszköznek.

A hagyományos agy-gép interfészek merev mikroelektróda-tömbökre támaszkodnak – apró fémérintkezők rácsaira, amelyeket a koponyába ültetnek be. Működnek, de a merev anyagok idővel károsíthatják a lágy agyszövetet, hegesedést okozva, ami rontja a jelet. A rugalmas hordozókon lévő nyomtatott neuronok alkalmazkodhatnak az agy felszínéhez, csökkentve a szövetkárosodást és meghosszabbítva az eszköz élettartamát.

Miért fontos ez a neuroprotézisek számára?

Az agy-gép interfészek már most is figyelemre méltó teljesítményeket tesznek lehetővé. Klinikai vizsgálatok kimutatták, hogy a beültetett tömbök képesek dekódolni a kézírást, a beszédet és a komplex motoros szándékokat a kéreg aktivitásából, lehetővé téve a bénult betegek számára, hogy gépeljenek, szintetizátoron keresztül beszéljenek, vagy egy robotkart irányítsanak. A jelenlegi eszközök azonban drágák, merevek és invazív műtétet igényelnek.

A nyomtatott mesterséges neuronok egyszerre több ilyen korlátot is kezelnek:

• Költség: A nyomtatás additív – az anyag csak oda kerül, ahol szükség van rá –, csökkentve a gyártási hulladékot és a költségeket a tisztatéri litográfiához képest.
• Rugalmasság: A polimer hordozók a testtel együtt hajlanak, csökkentve a szöveti hegesedést okozó mechanikai eltérést.
• Skálázhatóság: Ugyanez a nyomtatási eljárás nagy tételekben is képes eszközöket gyártani, ami hozzáférhetőbbé teszi a neuroprotéziseket.

Kihívások a jövőben

A laboratóriumi agyszeleteken működő nyomtatott neuronok még nem állnak készen az emberi beültetésre. A hosszú távú biokompatibilitás, a vezeték nélküli energiaellátás és a test immunvédelmével való integráció továbbra is nyitott mérnöki probléma. Bármely beültetett idegi eszköz szabályozási jóváhagyása is évekig tartó biztonsági tesztelést igényel.

Mindazonáltal az a képesség, hogy rugalmas, alacsony költségű elektronikát nyomtassunk, amely valóban kommunikál a biológiai neuronokkal, jelentős mérföldkövet jelent. Ahogy a Northwestern kutatói megjegyzik, ez közelebb viszi a területet egy olyan jövőhöz, ahol egy sérült idegrendszer helyreállítása egy asztali nyomtatón épített eszközzel kezdődhet.