การปลูกถ่ายสมองที่ใช้กราฟีนนี้สามารถมองลึกเข้าไปในสมองจากพื้นผิวได้

การปลูกถ่ายสมองที่ใช้กราฟีนนี้สามารถมองลึกเข้าไปในสมองจากพื้นผิวได้

ประทับเวลา: 11 มกราคม 2024 2:45 น
โหนดต้นทาง: 2437660

หาวิธีลดการรุกรานของ การปลูกถ่ายสมอง สามารถขยายการใช้งานที่มีศักยภาพได้อย่างมาก อุปกรณ์ใหม่ที่ทดสอบกับหนูซึ่งอยู่บนพื้นผิวสมอง แต่ยังคงอ่านกิจกรรมได้ในส่วนลึก อาจนำไปสู่วิธีอ่านกิจกรรมของระบบประสาทที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

มีเทคโนโลยีมากมายอยู่แล้วที่ช่วยให้เรามองเห็นการทำงานภายในของสมองได้ แต่เทคโนโลยีเหล่านี้ล้วนมีข้อจำกัด วิธีการรุกรานน้อยที่สุด ได้แก่ MRI ที่ใช้งานได้โดยที่เครื่องสแกน MRI ใช้เพื่อถ่ายภาพการเปลี่ยนแปลงของการไหลเวียนของเลือดในสมอง และ EEGซึ่งใช้อิเล็กโทรดที่วางบนหนังศีรษะเพื่อรับสัญญาณไฟฟ้าของสมอง

แบบแรกต้องการให้ผู้ป่วยนั่งในเครื่อง MRI และแบบหลังไม่ชัดเจนเกินไปสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ วิธีการมาตรฐานทองคำเกี่ยวข้องกับการใส่อิเล็กโทรดเข้าไปในเนื้อเยื่อสมองเพื่อให้ได้ค่าการอ่านที่มีคุณภาพสูงสุด แต่สิ่งนี้ต้องใช้ขั้นตอนการผ่าตัดที่มีความเสี่ยง และการเกิดแผลเป็นและการขยับขั้วไฟฟ้าอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้อาจทำให้สัญญาณเสื่อมลงเมื่อเวลาผ่านไป

อีกวิธีหนึ่งคือการวางอิเล็กโทรดบนพื้นผิวของสมอง ซึ่งมีความเสี่ยงน้อยกว่าการปลูกถ่ายสมองส่วนลึก แต่ให้ความแม่นยำมากกว่าวิธีการที่ไม่รุกราน แต่โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์เหล่านี้สามารถอ่านกิจกรรมจากเซลล์ประสาทในชั้นนอกของสมองเท่านั้น

ขณะนี้ นักวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์ฝังพื้นผิวที่บางและโปร่งใสด้วยอิเล็กโทรดที่ทำจากกราฟีน ซึ่งสามารถอ่านการทำงานของระบบประสาทที่อยู่ลึกลงไปในสมองได้ วิธีการนี้อาศัยการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อค้นหาความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณในชั้นนอกกับสัญญาณที่อยู่ต่ำกว่าพื้นผิว

“เรากำลังขยายการเข้าถึงเชิงพื้นที่ของการบันทึกประสาทด้วยเทคโนโลยีนี้” Duygu Kuzum ศาสตราจารย์ที่ UC San Diego ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าวใน ข่าวประชาสัมพันธ์. “แม้ว่าการปลูกถ่ายของเราจะอยู่บนผิวสมอง แต่การออกแบบของมันนั้นเกินขีดจำกัดของการรับรู้ทางกายภาพ โดยสามารถสรุปการทำงานของระบบประสาทจากชั้นที่ลึกลงไปได้”

ตัวอุปกรณ์ทำมาจากแถบโพลีเมอร์บางๆ ที่ฝังอยู่กับอิเล็กโทรดกราฟีนขนาดเล็กจำนวนมากที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 20 ไมโครเมตร และเชื่อมต่อด้วยลวดกราฟีนบางพิเศษเข้ากับแผงวงจร ผู้เขียนกล่าวว่าการลดขนาดอิเล็กโทรดกราฟีนให้เหลือขนาดนี้ถือเป็นความท้าทายอย่างมาก เนื่องจากจะเพิ่มความต้านทานและทำให้มีความไวน้อยลง พวกเขาแก้ไขปัญหานี้ได้โดยใช้เทคนิคการผลิตแบบสั่งทำเพื่อฝากอนุภาคแพลตตินัมไว้บนอิเล็กโทรดเพื่อเพิ่มการไหลของอิเล็กตรอน

สิ่งสำคัญที่สุดคือทั้งอิเล็กโทรดและแถบโพลีเมอร์มีความโปร่งใส เมื่อทีมฝังอุปกรณ์ดังกล่าวในหนู นักวิจัยก็สามารถฉายแสงเลเซอร์ผ่านการฝังไปยังเซลล์ภาพที่อยู่ลึกเข้าไปในสมองของสัตว์ได้ ทำให้สามารถบันทึกข้อมูลทางไฟฟ้าจากพื้นผิวและทางแสงจากบริเวณสมองส่วนลึกได้พร้อมๆ กัน

ในการบันทึกเหล่านี้ ทีมงานได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างกิจกรรมในชั้นนอกและชั้นใน พวกเขาจึงตัดสินใจดูว่าจะใช้แมชชีนเลิร์นนิงเพื่อทำนายสิ่งหนึ่งจากอีกสิ่งหนึ่งได้หรือไม่ พวกเขาฝึกโครงข่ายประสาทเทียมบนสตรีมข้อมูลทั้งสอง และค้นพบว่าสามารถทำนายกิจกรรมของแคลเซียมไอออน ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้การทำงานของระบบประสาทในประชากรของเซลล์ประสาทและเซลล์เดี่ยวในบริเวณส่วนลึกของสมอง

การใช้วิธีทางสายตาเพื่อวัดการทำงานของสมองเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพ แต่ต้องยึดศีรษะของวัตถุไว้ใต้กล้องจุลทรรศน์ และเพื่อให้กะโหลกศีรษะยังคงเปิดอยู่ ทำให้อ่านสัญญาณในสถานการณ์ที่สมจริงได้ยาก ความสามารถในการทำนายข้อมูลเดียวกันโดยอาศัยการอ่านค่าทางไฟฟ้าบนพื้นผิวเพียงอย่างเดียวจะช่วยขยายการใช้งานได้อย่างมาก

“เทคโนโลยีของเราทำให้สามารถทำการทดลองที่มีระยะเวลานานขึ้นได้ โดยที่วัตถุมีอิสระที่จะเคลื่อนที่ไปมาและทำงานด้านพฤติกรรมที่ซับซ้อนได้” Mehrdad Ramezani ผู้เขียนร่วมคนแรกของ a กระดาษเข้า นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ เกี่ยวกับการวิจัย “สิ่งนี้สามารถให้ความเข้าใจที่ครอบคลุมมากขึ้นเกี่ยวกับกิจกรรมของระบบประสาทในสถานการณ์จริงที่มีพลวัต”

เทคโนโลยีนี้ยังมีการใช้งานในมนุษย์อีกยาวไกล ปัจจุบัน ทีมงานได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเรียนรู้ความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณแสงและสัญญาณไฟฟ้าที่บันทึกไว้ในหนูแต่ละตัวเท่านั้น ไม่น่าเป็นไปได้ที่แบบจำลองนี้จะสามารถนำมาใช้ทำนายการทำงานของสมองส่วนลึกจากสัญญาณพื้นผิวในเมาส์ตัวอื่นได้

นั่นหมายความว่าบุคคลทุกคนจะต้องผ่านกระบวนการรวบรวมข้อมูลที่ค่อนข้างรุกรานก่อนที่แนวทางนี้จะได้ผล ผู้เขียนยอมรับว่าจำเป็นต้องทำมากกว่านี้เพื่อค้นหาการเชื่อมต่อระดับที่สูงขึ้นระหว่างข้อมูลทางแสงและไฟฟ้าซึ่งจะช่วยให้แบบจำลองสามารถสรุปได้ทั่วทั้งบุคคล

แต่ด้วยการปรับปรุงอย่างรวดเร็วในเทคโนโลยีที่จำเป็นในการดำเนินการอ่านทั้งทางแสงและไฟฟ้าจากสมอง อาจใช้เวลาไม่นานจนกว่าแนวทางนี้จะเป็นไปได้มากขึ้น และในที่สุดมันก็สามารถสร้างสมดุลที่ดีกว่าระหว่างความจงรักภักดีและการรุกรานมากกว่าเทคโนโลยีของคู่แข่ง

เครดิตรูปภาพ: การปลูกถ่ายสมองที่บาง โปร่งใส และยืดหยุ่นวางอยู่บนพื้นผิวของสมองเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย แต่ด้วยความช่วยเหลือของ AI มันยังคงสามารถสรุปกิจกรรมที่อยู่ลึกลงไปใต้พื้นผิวได้ David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์