Von der Verbesserung der Mobilität und der motorischen Funktion bis hin zur Verbesserung der sensorischen Fähigkeiten können Hirntomputer-Schnittstellen (BCI) unsere menschlichen Fähigkeiten erweitern, indem sie nahtlose Kommunikation ermöglichen, die kognitiven Funktionen verbessern und die Entwicklung medizinischer Behandlungen beschleunigen. Aktuelle grundlegende Einschränkungen bei aktuellen invasiven und nicht-invasiven Technologien legen jedoch nahe, dass BCI für Verbraucher, um allgegenwärtig zu werden, neue Technologien entwickelt und validiert werden müssen.
Um das vollständige Potenzial von BCI zu verwirklichen, benötigen wir ein System, das 1) drahtlos überträgt. Um die Lücke zwischen invasiven und nicht-invasiven Technologien zu schließen, bieten nanoskalige Materialien wie biokompatible Nanopartikel eine vielversprechende Alternative, die es uns ermöglicht, Materialien im Maßstab zellulärer Systeme und Strukturen zu entwerfen.
Nanopartikel: Ein neuer Ansatz für BCI
Die Verwendung von Nanomaterialien wie Durchführung von Polymeren oder Graphen zur Verbesserung implantierter Elektroden stand im Mittelpunkt umfassender Forschung, aber letztendlich müssen diese Materialien immer noch chirurgisch in das Gehirn eintreten. Damit eine Technologie mit der minimal möglichen Intervention auf Gehirngewebe zugreifen kann, muss man Komponenten im Maßstab der Zellen selbst entwerfen.
Aufgrund ihrer geringen Größe (<100 nm) sind Nanopartikel in der Lage, mit Nervengewebe intim zu interagieren und über minimal invasive Wege, einschließlich intravenöser und intranasaler Routen, durch die Blut-Gehirn-Schranke in das Gehirn einzudringen. Nanopartikel sind auch für vielfältiges Design zugänglich. Die Partikel selbst sind groß genug, um intrinsische Materialeigenschaften über ihre primäre chemische Zusammensetzung hinaus zu haben, wie z. B. piezoelektrische Wirkung, sind jedoch klein genug für die Oberflächenfunktionalisierung mit kleinen Molekülen oder Biomolekülen, um eine signifikante Rolle in ihrem Verhalten in biologischen Systemen zu spielen. Diese Eigenschaften ermöglichen das rationale Design von Nanoantenna, das Signale in und aus dem Gehirn und aus dem Gehirn aufbauen kann und Technologien als Grundlage für zukünftige Generationen von BCI aufbauen kann.
Neuralmodulation mit Nanopartikeln
Die Verwendung von Nanopartikeln als Antennen im Gehirn ist ein Konzept, das in den letzten 15 Jahren in akademischen Laboratorien umfangreiche Untersuchungen erlebt hat. Die überwiegende Mehrheit dieser Arbeit hat sich auf die Verwendung von Nanopartikeln zur Neuromodulation konzentriert. Während einige Ergebnisse unter Verwendung von Ultraschall oder Licht erhalten wurden, um diese Partikel zu stimulieren, war der Signaltyp der Wahl, angesichts seiner relativ hohen Gewebetransparenz, überwiegend magnetisch. Es wurden frühzeitige Ergebnisse auf magnetothermische oder magnetomechanische Mechanismen zur Anregung von Neuronen konzentriert, aber die vielversprechendsten Ergebnisse wurden mit magnetoelektrischen Nanopartikeln erhalten. Diese Materialien wandeln ein allgemeines Magnetfeld in ein hoch lokalisiertes elektrisches Feld um, das wiederum Neuronen aktivieren und somit eine vielversprechende Plattform für die therapeutische Stimulation und letztendlich hohe Wiedergabetreue -Übertragung von Informationen in das Gehirn liefern kann.
Magnetoelektrische Nanopartikel funktionieren über ein mehrschichtiges Kernschalen-Design, das aus einem magnetorestriktiven Kern besteht, der mit einer piezoelektrischen Hülle bedeckt ist. In Gegenwart eines Magnetfeldes deformiert der Kern, der wiederum die Hülle verformt und ein lokales elektrisches Feld über den piezoelektrischen Effekt erzeugt. Die Effizienz dieses Effekts kann durch Ändern der Größe, Form, Zusammensetzung und Schichtkupplung der Partikel eingestellt werden.
Mehrere Gruppen haben diese Materialien bereits in das Gehirn von Mäusen und Primaten eingeführt. Kozielski und Anikeeva haben bei Wildtyp -Mäusen in Rotorod, drei Kammer und Rotationstests eine tiefe Hirnstimulation gezeigt, mit vergleichbaren Ergebnissen für implantierte Elektroden und bessere Profile von Biossicherheit. Khizroev und Kaushik haben die Fähigkeit dieser Partikel gezeigt, durch die Blut-Hirn-Barriere oder intranasal in das Gehirn zu gelangen und im Gehirn mit angewendeten Magnetfeldern lokalisiert zu werden.
Jede dieser Studien hat die Biokompatibilität dieser Materialien in vitro und in vivo gezeigt. Somit werden alle Komponenten unseres idealen Systems berücksichtigt; Magnetoelektrische Nanopartikel können nicht-chirurgisch in das Gehirn gelangen, lokalisiert werden und kritische Bereiche auf sichere und effiziente Weise stimulieren. Was bei der weiteren Beweise des Konzepts weiterhin besteht, besteht darin, die Effizienz des magnetoelektrischen Effekts und die biologische Wechselwirkung dieser Materialien weiter zu optimieren. Alle Stücke sind vorhanden, und so ist es jetzt richtig, die translationale Forschung zu beginnen, um diese Materialien in BCI und breitere bioelektronische Medizin zu bringen.
Neurallesung mit Nanopartikeln
Von primärer Bedeutung bei den Designkriterien ist die Bidirektionalität zukünftiger BCI -Systeme. Dies kann mit implantierten Elektrodenarrays erreicht werden, ist jedoch mit vollständig nicht-invasiven Systemen schwer zu implementieren. Bei Nanopartikeln ist die neuronale Stimulation einfacher als die neuronale Lektüre, da ein extern angetriebenes Signal verwendet wird. Für die neuronale Lektüre müssen Signalerkennungsmethoden entweder extrem präzise sein oder Partikel müssen für eine effiziente Signaltransduktion in situ angetrieben werden. Dies stellt erhebliche Designherausforderungen auf, und so ist das Feld weniger ausgereift, aber einige faszinierende theoretische Arbeiten wurden veröffentlicht, die für die Weiterentwicklung gelangen.
Aufgrund der oben genannten energetischen Einschränkungen muss der Signaltransduktionsmechanismus für neuronale Lesen mit Nanopartikeln eine sehr geringe Hintergrundinterferenz aufweisen. Aus praktischer Sicht sind die vielversprechendsten Kandidaten Magnetfelder und nahezu Infrarotlicht.
Aus der Perspektive der Magnetsignaltransduktion ist die Magnetpartikelbildgebung (MPI) eine Technik, die nichtlineare Magnetisierungseigenschaften von superparamagnetischen Eisenoxid -Nanopartikeln verwendet, um dynales Gewebe des Neuralgewebes einschließlich Neuralverletzungen und Blutfluss zu bilden.
Bei magnetoelektrischen Nanopartikeln könnte MPI die neuronale Aktivität direkt über einen umgekehrten Mechanismus aus dem für die neuronalen Stimulation verwendeten: Änderungen in den lokalen elektrischen Feldern aus der neuronalen Aktivität verändern die Form und damit die magnetischen Eigenschaften der Partikel. Das Potenzial dieser Materialien, auf diese Weise mit realistischer neuronaler elektrischer Aktivität zu funktionieren, wurde in der Simulation sowohl durch die Khizroev- als auch durch HAI -Gruppen bestätigt, wurde jedoch noch nicht experimentell realisiert. Dies sind vielversprechende theoretische Ergebnisse, und mit Valetro- und in vivo sowie der Miniaturisierung der MPI -Technologie könnten magnetoelektrische Nanopartikel als Einzelkomponenten -Antennen für bidirektionale BCI dienen.
Die andere Option für Gewebetransparenz ist nahezu Infrarotlicht. Nahinfrarot-Licht wird verwendet, um die neuronale Aktivität in funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (FNIRs) durch Messung der hämodynamischen Aktivität durch Hämoglobinabsorption zu überwachen. Die primäre Einschränkung dieser Technik ist die mangelnde zeitliche Auflösung aufgrund der Abhängigkeit von der Flüssigkeitsbewegung. Das Einsatz von Licht zum direkten Lesen der neuronalen Aktivität wurde als Teil der Optogenetik untersucht, ein Feld, das unser Verständnis von Gehirn und neuronalen Funktionen revolutioniert hat, aber als translationale BCI -Technologie ist die Erfordernis der genetischen Modifikation des Subjekts begrenzt.
Auch hier können Nanopartikel den Weg zur Realisierung einer schnelleren Form der Bildgebung der neuralen Aktivität der NIR bieten. Frühe Arbeiten in diesem Bereich konzentrierten sich auf elektrochrome Quantenpunkte, die Bedenken hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses und der materiellen Toxizität haben diesen Ansatz begrenzt. Unter Verwendung von plasmonischem Gold/Pedot: PSS-Nanopartikeln hat die Yanik-Gruppe in der Simulation gezeigt, dass in der NIR-II-Region (1000-1700 nm) eine elektrochromische Reaktion erhalten werden kann, in der das Gewebe eine ausreichende Transparenz für die kortikale Bildgebung aufweist.
Dieser Mechanismus basiert auf der elektrochromen plasmonischen Streuung und ist somit extern angetrieben. Während diese Ergebnisse in Silico bis noch in der Gruppe einen vergleichbaren Effekt auf Gold/Pedot gezeigt haben: PSS -Oberflächen, die die subzelluläre Kartierung der elektrischen Kardiomyozytenaktivität ermöglichten. Angesichts von zwei potenziellen Wegen zur Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten mit Nanopartikeln könnte der experimentelle Erfolg auf diesem Gebiet dazu beitragen, eine neue Ära in BCI zu bewirken.
Die Zukunft der Nanopartikel -Technologie in BCI
Es besteht kaum Zweifel, dass wir in den nächsten 5-10 Jahren mit einer ständig wachsenden Anzahl von Beispielen behandelt werden, wie BCI und verwandte Technologien die Art und Weise verändern können, wie wir leben. Jeder Monat bringt neue Patienten mit implantierten BCIs mit sich und ihre Geschichten über die wiederhergestellten Fähigkeiten und ihre Lebensqualität und die Unabhängigkeit verbesserten sich. Bei nicht-invasiven Ansätzen werden neue Anwendungen für EEG und FNIRs kontinuierlich entwickelt und helfen uns, unsere Gesundheit zu optimieren und Krankheiten früher zu erkennen und zu diagnostizieren.
Über diesen Zeithorizont hinaus wird die breitere Einführung von BCI jedoch grundlegende Fortschritte in seinen grundlegenden Mechanismen und die Entwicklung von Technologien erfordern, die die Übertragung von Informationen zwischen Geist und Maschine mit begrenzter Installation mit hoher Übereinstimmung bieten. Nanopartikel können maßgeblich dazu beigetragen haben, diese Zukunft zu verwirklichen und die unbegrenzten Möglichkeiten des BCI in den Alltag zu bringen.
Fotokredit: Entwurf123, Getty Images
Alexandra Karpman ist der Leiter des Produkts bei Subsense mit über 11 Jahren Erfahrung in der Entwicklung der Brain Computer Interface (BCI) und 6 Jahre im biomedizinischen Produktmanagement. Sie hat einen Master -Abschluss in Neurowissenschaften, der sich auf Neurorehabilitation konzentriert und die motorische Beeinträchtigung nach dem Schlaganfall wiederherstellt. Alexandra begann ihre Karriere als Neurowissenschaftlerin in Startups, die Produkte für Branchen wie Pharmazeutika, Bankwesen und Marketing entwickeln. Im Jahr 2022 schloss sich Alexandra Subsense als Leiter der Neurowissenschaften an und half bei der Gestaltung der Vision, der Roadmap und des wissenschaftlichen Beirates des Unternehmens. Ein Jahr später, als Leiter des Produkts, gründete sie Partnerschaften mit Experten aus Institutionen wie UCSC, Harvard, Stanford und Eth Zürich von Grund auf und sicherte sich die Saatgutfinanzierung und fördert das Wachstum von Subsens. Ihr Fachwissen umfasst die Produkt Vision, die Marktstrategie und die Verwaltung von funktionsübergreifenden Teams. Bei Subsense wendet Alexandra ihre tiefe Erfahrung in BCI, Gesundheitswesen und Startups an, um nicht-chirurgische Hirn-Computer-Schnittstellen-Technologien zu fördern.
Dr. Scott Meek ist die F & E -Leiterin bei Subsense und hat in den letzten 20 Jahren neue Materialien und Sensoren in den Bereichen Wissenschaft, staatliche Labors und Biotech -Startups entwickelt. Nach einem BA in Chemie am Dartmouth College beendete Dr. Meek seinen Ph.D. in organischer Chemie am MIT in der Forschungsgruppe von Tim Swager. Seine Doktorarbeit konzentrierte sich auf das Design und die Synthese einer neuen Klasse von fluoreszierenden Sonden mit nahezu Infrarot, um Beta-Amyloid-Plaques nachzuweisen. Er wechselte als Postdoktorandin zu Sandia National Labs, wo er neue nanoporöse Materialien für Gas- und Strahlungsempfindungsanwendungen entwickelte. Bei Subsense freut er sich, all seine Erfahrungen in Chemie, Materialwissenschaft, Mehrkomponenten -Medizinprodukt und Produktentwicklung zusammenzubringen, um den ultimativen Biosensor aufzubauen.
Dr. Uri Magaram ist ein experimenteller Anwendungswissenschaftler bei Subsense und konzentriert sich auf die Entwicklung nicht-invasiver, auf Nanopartikel basierender Hirn-Computer-Schnittstellen. Er verdiente seinen BA in integrierten Wissenschaft und Mathematik an der Northwestern University, wo er in vivo und elektrophysiologischen Forschung in Zebrafisch und Mäusen unter Dr. Indira Raman und David McLean. Diese Erfahrung vertiefte seine Leidenschaft für die Neurowissenschaften und veranlasste ihn, einen Ph.D. In Neurowissenschaften an der University of California, San Diego, im Labor von Dr. Sreekanth Chalasani. Am Salk Institute for Biological Studies, Dr. Magaram Advanced Sonogenetics – eine Technik, die Ultraschall- und Gentechnik zur Kontrolle neuronaler Schaltkreise kombiniert – durch umfassende Forschung von Materialienstechnik bis hin zu In -vivo -Experimenten in C. elegans und Mäusen. Er war Mitbegründer von Sonobac, um die Bioperation durch Sonogenetik zu verbessern, und war zwei Jahre lang Chief Scientific Officer tätig, bevor er Subsens anschloss, um sein Engagement für die Neurotechnologie und die Gehirnforschung zu fördern.
Dieser Beitrag erscheint durch das Medcity Influencers -Programm. Jeder kann seine Sichtweise auf Geschäft und Innovation im Gesundheitswesen in Bezug auf MedCity -Nachrichten durch MedCity -Influencer veröffentlichen. Klicken Sie hier, um herauszufinden, wie.
