Biotechnologen Kenntnisse erstellen ultrasmall, Licht-aktivierten Elektroden für die neuronale stimulation
PITTSBURGH (15. Februar 2019) … Neurale stimulation ist eine sich entwickelnde Technologie, hat positive therapeutische Wirkungen bei neurologischen Erkrankungen, wie Parkinson-Krankheit. Während viele Fortschritte gemacht wurden, werden die implantierten Geräte im Laufe der Zeit verschlechtern und zu Narbenbildung im neuronalen Gewebe. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel, der Universität von Pittsburgh Takashi D. Y. Kozai detaillierte eine weniger invasive Methode der stimulation, der einen untethered ultrasmall Elektrode durch Licht aktiviert, eine Technik, die möglicherweise mindern den Schaden von aktuellen Methoden.
„In der Regel mit neuronalen stimulation, um die Verbindung zwischen Geist und Maschine, es ist ein transkutanes Kabel von der implantierten Elektrode im Gehirn ist mit einer Steuerung außerhalb des Körpers,“ sagte Kozai, ein Assistent professor von Biotechnik in Pitts Swanson School of Engineering. „Die Bewegung der Gehirn-oder das Halteseil führt zu Entzündungen, Narbenbildung, und andere negative Nebenwirkungen. Wir hoffen, dass wir beitragen, einige der Schäden, die durch ersetzen dieses große Kabel mit langwelliges Licht und eine ultrasmall, untethered Elektrode.“
Kaylene Strumpf, senior Biotechnologie und computer-engineering-student, war der erste Autor auf dem Papier mit dem Titel „Intracortical neural stimulation mit untethered, ultrasmall Kohlenstoff-Faser-Elektroden vermittelt durch den photoelektrischen Effekt“ (DOI: 10.1109/TBME.2018.2889832). Sie arbeitet mit Kozai ‚ s group—das Bionik-Labor – forschen wie die Forscher verbessern die Langlebigkeit der neural-Implantat-Technologie. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Alberto Vasquez, research associate professor für Radiologie und Bioingenieurwesen Pitt.
Den photoelektrischen Effekt ist, wenn ein Partikel des Lichts, oder ein photon, trifft auf ein Objekt und bewirkt eine lokale änderung in dem elektrischen potential. Kozai ‚ s Gruppe entdeckte seine Vorteile, während er andere imaging research. Basierend auf Einsteins 1905 Veröffentlichung auf diese Wirkung, die Sie erwartet, um zu sehen, elektrische photocurrents nur bei UV-Wellenlängen (energiereiche Photonen), aber Sie erlebt etwas anderes.
„Wenn der photoelektrische Effekt verschmutzt unser elektrophysiologische Aufzeichnung während des imaging-mit einem nah-Infrarot-laser (low-energy-Photonen), wir waren ein wenig überrascht“, erklärte Kozai. „Es stellte sich heraus, dass die ursprüngliche Gleichung modifiziert werden mussten, um zu erklären, dieses Ergebnis. Wir haben versucht, zahlreiche Strategien, um diese zu beseitigen photoelektrischen Artefakt, aber waren erfolglos bei jedem Versuch, so wandten wir uns den ‚bug‘ in eine ‚Funktion.'“
„Unsere Gruppe entschieden, um dieses feature zu verwenden, der den photoelektrischen Effekt zu unserem Vorteil in der neuronalen stimulation“, sagte Strumpf. „Wir haben die änderung im elektrischen potential mit einem nah-Infrarot-laser zu aktivieren, eine untethered Elektrode in das Gehirn.“
Das Labor erstellt ein carbon-Implantat, 7-8 Mikrometer im Durchmesser, oder etwa der Größe einer Nervenzelle (17-27 Mikrometer), und die Lagerung simuliert Ihre Methode an einem phantom Gehirn mittels zwei-Photonen-Mikroskop. Sie Messen die Eigenschaften und analysiert, die Auswirkungen zu sehen, wenn das elektrische potential, das von dem photoelektrischen Effekt stimuliert die Zellen in einer Weise, die ähnlich zu traditionellen neural stimulation.
„Wir haben entdeckt, dass photostimulation wirksam ist“, sagte Strumpf. „Die Temperatur erhöht waren nicht signifikant, was wiederum die Wahrscheinlichkeit von Schäden durch Hitze, und aktivierte Zellen wurden näher an der Elektrode als bei elektrischer stimulation unter ähnlichen Bedingungen, die angibt, erhöhte räumliche Präzision.“
„Was wir nicht erwartet hatten zu sehen, war, dass dieser photoelektrische Methode der stimulation kann uns anregen, eine verschiedene und mehr diskrete population von Neuronen als könnte erreicht werden mit der elektrischen stimulation.“, sagte Kozai, „Dies gibt den Forschern ein weiteres Werkzeug in Ihre toolbox zu erforschen neuronale schaltkreise im Nervensystem.
„Wir hatten zahlreiche Kritiker, die nicht glauben in die mathematischen Modifikationen, die vorgenommen wurden, um Einsteins ursprünglichen photoelektrischen Gleichung, aber wir glaubten an das Konzept und sogar ein patent eingereicht“ (patent pending:US20170326381A1), Kozai sagte. „Dies ist ein Beweis für Kaylene ist harte Arbeit und Fleiß zu nehmen, eine Theorie, und schalten Sie es in einen gut kontrollierten Validierung der Technologie.“
