پشتی انعطاف پذیر به آرایه هایی از سوزن های در مقیاس میکرو اجازه می دهد تا با خطوط مغز مطابقت داشته باشند، که ضبط مغز با وضوح بالا را بهبود می بخشد —

این رابط جدید مغز و رایانه تاکنون روی جوندگان آزمایش شده است. جزئیات در 25 فوریه به صورت آنلاین در مجله Advanced Functional Materials منتشر شد. این کار توسط تیمی در آزمایشگاه استاد مهندسی برق شادی دایه در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو به همراه محققان دانشگاه بوستون به سرپرستی پروفسور مهندسی زیست پزشکی Anna Devor هدایت می شود.

این رابط جدید مغز و رایانه با «آرایه یوتا» که استاندارد طلایی موجود برای رابط‌های مغز و رایانه با میکروسوزن‌های نافذ است، برابری می‌کند و از آن بهتر است. نشان داده شده است که آرایه یوتا به قربانیان سکته مغزی و افراد مبتلا به آسیب نخاعی کمک می کند. افرادی که آرایه‌های یوتا کاشته شده‌اند، می‌توانند از افکار خود برای کنترل اندام‌های روباتیک و سایر دستگاه‌ها برای بازگرداندن برخی از فعالیت‌های روزمره مانند اجسام متحرک استفاده کنند.

پشتوانه رابط جدید مغز و کامپیوتر انعطاف پذیر، سازگار و قابل تنظیم مجدد است، در حالی که آرایه یوتا دارای پشتوانه سخت و غیر قابل انعطاف است. انعطاف پذیری و انطباق پشت آرایه میکروسوزن جدید باعث تماس نزدیک تر بین مغز و الکترودها می شود که امکان ضبط بهتر و یکنواخت سیگنال های فعالیت مغز را فراهم می کند. محققان با کار با جوندگان به‌عنوان گونه‌های مدل، ضبط‌های باند پهن پایداری را نشان داده‌اند که سیگنال‌های قوی را برای مدت زمان کاشت که 196 روز به طول انجامید، تولید می‌کند.

علاوه بر این، نحوه ساخت رابط‌های مغز و رایانه با پشتوانه نرم، سطوح حسگر بزرگ‌تری را امکان‌پذیر می‌کند، که به این معنی است که می‌توان به طور همزمان منطقه بزرگ‌تری از سطح مغز را زیر نظر گرفت. در مواد کاربردی پیشرفته در مقاله، محققان نشان می‌دهند که یک آرایه میکروسوزن نافذ با 1024 میکروسوزن، سیگنال‌هایی را که توسط محرک‌های دقیق از مغز موش‌ها ایجاد می‌شود، با موفقیت ثبت می‌کند. این نشان دهنده ده برابر بیشتر میکروسوزن ها و ده برابر مساحت پوشش مغز در مقایسه با فناوری های فعلی است.

پشتی نازک تر و شفاف

این رابط‌های مغز-رایانه با پشتی نرم نازک‌تر و سبک‌تر از پشتیبان‌های شیشه‌ای سنتی این نوع رابط‌های مغز-رایانه هستند. محققان در مقاله Advanced Functional Materials خود خاطرنشان کردند که پشتی های سبک و انعطاف پذیر ممکن است تحریک بافت مغز را که با آرایه های حسگرها تماس می گیرد، کاهش دهد.

پشتی های انعطاف پذیر نیز شفاف هستند. در مقاله جدید، محققان نشان می‌دهند که می‌توان از این شفافیت برای انجام تحقیقات بنیادی علوم اعصاب شامل مدل‌های حیوانی استفاده کرد که در غیر این صورت امکان‌پذیر نبود. برای مثال، این تیم ضبط الکتریکی همزمان از آرایه‌های ریز سوزن‌های نفوذی و همچنین تحریک نوری اپتوژنتیک را نشان دادند.

ساخت لیتوگرافی دو طرفه

انعطاف پذیری، ردپای آرایه میکروسوزن بزرگتر، قابلیت پیکربندی مجدد و شفافیت پشتی سنسورهای جدید مغز، همه به لطف رویکرد لیتوگرافی دو طرفه ای است که محققان استفاده کردند.

از نظر مفهومی، با شروع از یک ویفر سیلیکونی سفت و سخت، فرآیند تولید تیم به آنها اجازه می دهد مدارها و دستگاه های میکروسکوپی را در دو طرف ویفر سیلیکونی سفت و سخت بسازند. در یک طرف، یک لایه انعطاف پذیر و شفاف در بالای ویفر سیلیکونی اضافه شده است. در داخل این فیلم، یک لایه دولایه از آثار تیتانیوم و طلا تعبیه شده است تا آثار با جایی که سوزن‌ها در طرف دیگر ویفر سیلیکونی ساخته می‌شود، قرار بگیرند.

با کار از طرف دیگر، پس از اضافه شدن لایه انعطاف پذیر، تمام سیلیکون حکاکی می شود، به جز ستون های سیلیکونی نازک و آزاد ایستاده. این ستون‌های نوک تیز سیلیکونی در واقع ریزسوزن‌ها هستند و پایه‌های آن‌ها با آثار طلایی تیتانیوم در لایه انعطاف‌پذیری که پس از کنده شدن سیلیکون باقی می‌ماند، همسو می‌شوند. این آثار تیتانیوم-طلا از طریق تکنیک‌های میکروساخت استاندارد و مقیاس‌پذیر الگودهی می‌شوند و امکان تولید مقیاس‌پذیر با حداقل کار دستی را فراهم می‌کنند. فرآیند تولید امکان طراحی آرایه انعطاف پذیر و مقیاس پذیری را به ده ها هزار میکروسوزن ارائه می دهد.

به سمت سیستم های حلقه بسته

با نگاهی به آینده، آرایه‌های میکروسوزن نافذ با پوشش فضایی زیاد برای بهبود رابط‌های مغز و ماشین تا حدی مورد نیاز است که می‌توان از آنها در «سیستم‌های حلقه بسته» استفاده کرد که می‌تواند به افراد با تحرک بسیار محدود کمک کند. به عنوان مثال، این نوع سیستم حلقه بسته ممکن است به فردی که از یک دست رباتیک استفاده می کند، بازخورد تاکتیکی بلادرنگ در مورد اشیایی که دست رباتیک می گیرد، ارائه دهد.

حسگرهای لمسی روی دست رباتیک سختی، بافت و وزن یک جسم را حس می کنند. این اطلاعات ثبت شده توسط حسگرها به الگوهای تحریک الکتریکی تبدیل می شود که از طریق سیم های خارج از بدن به رابط مغز و کامپیوتر با میکروسوزن های نافذ می روند. این سیگنال های الکتریکی اطلاعاتی را مستقیماً در مورد سختی، بافت و وزن جسم به مغز فرد ارائه می دهند. به نوبه خود، فرد قدرت گرفتن خود را بر اساس اطلاعات حس شده مستقیماً از بازوی رباتیک تنظیم می کند.

این تنها نمونه‌ای از نوع سیستم حلقه بسته است که می‌تواند به محض بزرگ‌تر کردن آرایه‌های میکروسوزن نفوذی برای انطباق با مغز و هماهنگ کردن فعالیت‌ها در مراکز «فرمان» و «بازخورد» مغز امکان‌پذیر باشد.

پیش از این، آزمایشگاه دایه انواع حسگرهای لمسی را که برای این نوع کاربردها مورد نیاز است، اختراع و نشان داده بود، همانطور که در این ویدئو مشخص شده است.

مسیر تجاری سازی

فرآیندهای پیشرفته ریزساخت لیتوگرافی دو طرفه شرح داده شده در این مقاله ثبت شده است (US 10856764). دایه شرکت Precision Neurotek را برای ترجمه فناوری‌های ابداع شده در آزمایشگاه خود به منظور ارتقای هنر در عمل بالینی و پیشرفت در زمینه‌های علوم اعصاب و فیزیولوژی عصبی، تأسیس کرد.