“芯片上的神經(jīng)”平臺為利用芯片改進(jìn)神經(jīng)修復(fù)設(shè)計(jì)鋪平了道路。
神經(jīng)修復(fù)——一種帶有多觸點(diǎn)電極的植入物，可以替代一些神經(jīng)功能——有創(chuàng)造奇跡的潛力。他們可能能夠恢復(fù)截肢者的觸覺，通過刺激脊髓幫助癱瘓的人再次行走，并使患有慢性疼痛的人的神經(jīng)活動保持沉默。在正確的位置和時間刺激神經(jīng)對有效治療非常重要，但由于植入物不能準(zhǔn)確記錄神經(jīng)活動，因此仍然是一個挑戰(zhàn)?！拔覀兊拇竽X發(fā)送和接收數(shù)百萬個神經(jīng)脈沖，但我們通常只在患者體內(nèi)植入十幾個電極。這種類型的接口通常沒有必要的分辨率來匹配患者神經(jīng)系統(tǒng)中復(fù)雜的信息交換模式，”桑德拉格里比說。
復(fù)制-改進(jìn)-神經(jīng)修復(fù)的工作原理
由EPFL工程學(xué)院教授斯特凡尼亞庫爾博士主持的實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開發(fā)了一個神經(jīng)芯片平臺，它可以刺激和記錄來自外植體的神經(jīng)纖維，就像植入神經(jīng)假體一樣。他們的平臺包含嵌入電極和神經(jīng)纖維的微通道，忠實(shí)地復(fù)制體內(nèi)組織的結(jié)構(gòu)、成熟度和功能。
科學(xué)家們測試了他們的平臺對移植到大鼠脊髓中的神經(jīng)纖維的影響，并嘗試了各種刺激和抑制神經(jīng)活動的策略?！绑w外實(shí)驗(yàn)通常在培養(yǎng)皿中進(jìn)行神經(jīng)元培養(yǎng)。但是這些培養(yǎng)物不能復(fù)制你在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元的多樣性，比如它們不同的類型和直徑。產(chǎn)生的神經(jīng)細(xì)胞的特性也會發(fā)生變化。一些科學(xué)家常用的細(xì)胞外微電極陣列無法記錄培養(yǎng)物中單個神經(jīng)細(xì)胞的所有活動，”Grebe說。
EPFL研發(fā)的神經(jīng)芯片平臺，兩天之內(nèi)就可以在干凈的房間里制造出來，可以快速記錄上百個高信噪比的神經(jīng)反應(yīng)。然而，真正使它與眾不同的是，它可以記錄單個神經(jīng)細(xì)胞的活動。這項(xiàng)研究剛剛發(fā)表在《自然通訊》上。
抑制特定神經(jīng)元的活動。
科學(xué)家利用他們的平臺測試了一種抑制神經(jīng)活動的光熱方法?！吧窠?jīng)抑制可能是慢性疼痛的一種治療方法，如手臂或腿部截肢后的幻肢疼痛，或神經(jīng)性疼痛，”拉庫爾說。
科學(xué)家已經(jīng)在芯片的一些電極上沉積了一種叫做P3HT:PCBM的光熱半導(dǎo)體聚合物?！熬酆衔锉┞对诠饩€下會變熱。由于我們電極的靈敏度，我們可以測量各種神經(jīng)纖維之間的活性差異。更具體地說，最細(xì)纖維的活性主要被阻斷，”Gribi說。正是這些微小的纖維是傷害感受器——引起疼痛的感覺神經(jīng)元。下一步將在神經(jīng)周圍放置的植入物中使用聚合物來研究體內(nèi)的抑制作用。
區(qū)分感覺和運(yùn)動神經(jīng)纖維
科學(xué)家們還利用他們的平臺來改善記錄電極的幾何形狀和位置，以便開發(fā)能夠再生周圍神經(jīng)的植入物。通過用強(qiáng)大的算法運(yùn)行測量的神經(jīng)數(shù)據(jù)，他們將能夠計(jì)算神經(jīng)脈沖傳播的速度和方向——從而確定給定的脈沖是來自感覺神經(jīng)還是運(yùn)動神經(jīng)。拉庫爾說：“這將使工程師能夠開發(fā)雙向選擇性植入物，從而可以更自然地控制假手等假肢。
基金
這項(xiàng)工作得到了瑞士國家科學(xué)基金會、CR32I2-149609SFN和貝塔雷利基金會的支持。
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