Programmable dendrite-inspired organic electrodes for neuronal interfacing

Das Gehirn ist eine weiche, feuchte und sich ständig verändernde Landschaft aus lebenden Zellen, während die Geräte, mit denen wir es belauschen, typischerweise hart, flach und unnachgiebig sind. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht, diese Kluft zu überbrücken, indem sie starre Metall- oder Siliziumsensoren an empfindliches Nervengewebe anbringen. Das Problem ist, dass diese zwei Welten nicht gut zusammenpassen. Das harte Gerät drückt gegen das weiche Gewebe, was dazu führt, dass der Körper mit der Bildung einer Narbe reagiert, die den Sensor isoliert, ähnlich wie ein Splitter unter der Haut. Diese Barriere schwächt das Signal im Laufe der Zeit ab und macht es schwierig, die leisen elektrischen Flüstern der Neuronen klar zu hören. Um dies zu lösen, haben Forscher sich an weiche, kunststoffähnliche Materialien gewandt, die sich mit dem Gehirn bewegen können, aber selbst diese weichen Materialien bleiben oft flach, wodurch eine winzige, leere Lücke zwischen dem Sensor und der Zellmembran entsteht. Diese Lücke wirkt wie eine Barriere, die die Verbindung verschleiert. Das Ziel moderner Neurotechnologie ist es, einen Sensor zu schaffen, der nicht nur auf einem Neuron sitzt, sondern es tatsächlich umschließt und eine enge, nahtlose Bindung eingeht, die eine klare Kommunikation ermöglicht, ohne die Abwehrmechanismen des Körpers auszulösen.

Ein Forschungsteam am Forschungszentrum Jülich in Deutschland und dem Institut für Kinetik (Italian Institute of Technology) hat einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels gemacht, indem es eine neue Art von Elektrode entwickelt hat, die die verzweigte Struktur eines Neurons selbst nachahmt. Anstatt einer flachen Oberfläche ließen sie winzige, baumartige Fasern aus einem leitfähigen Polymer direkt auf ihren Sensoren wachsen. Diese Fasern, die wie die Äste eines Baumes oder die Fortsätze einer Nervenzelle aussehen, sind darauf ausgelegt, von den Neuronen, die sie messen sollen, berührt und umschlossen zu werden. Durch die sorgfältige Steuerung der elektrischen Bedingungen während des Wachstumsprozesses konnten die Wissenschaftler die Größe, Form und Komplexität dieser Fasern programmieren und so ein einfaches flaches Pad in eine dreidimensionale, verzweigte Struktur verwandeln, die die Zelle dazu einlädt, näher zu kommen.

Die Forscher ließen diese Strukturen mittels eines Prozesses namens Elektrodeposition wachsen, bei dem sie spezifische elektrische Impulse auf eine Lösung anwandten, die die Bausteine des Polymers enthielt. Durch die Anpassung der Spannung, der Geschwindigkeit der Impulse und der Dauer des Wachstums konnten sie bestimmen, wie sich die Fasern bildeten. Sie erzeugten drei verschiedene Arten von Oberflächen zum Testen: eine flache, zweidimensionale Beschichtung; eine Version mit kurzen, dicken Fasern; und eine Version mit langen, komplizierten, verzweigten Fasern. Diese Strukturen wurden so konzipiert, dass sie verschiedene Stadien des eigenen Wachstums eines Neurons nachbilden, vom einfachen Zellkörper bis hin zu einem voll entwickelten Netzwerk von Verzweigungen. Das Team stellte fest, dass sie durch die bloße Änderung der elektrischen Einstellungen zuverlässig zwischen diesen verschiedenen Formen wechseln konnten, was bewies, dass die physische Form der Elektrode wie ein Computercode programmiert werden kann.

Als diese neuen Elektroden in Kontakt mit lebenden Gehirnzellen von Ratten gebracht wurden, war der Unterschied darin, wie die Zellen mit der Oberfläche interagierten, frappierend. Auf den flachen Elektroden saßen die Zellen obenauf, aber es blieb eine merkliche Lücke zwischen der Zellmembran und dem Sensor. Auf den faserbedeckten Elektroden verhielten sich die Zellen jedoch anders. Die Neuronen schickten ihre eigenen winzigen Fortsätze, sogenannte Neuriten, aus, die sich nach außen streckten und die künstlichen Fasern eng umschlossen. In einigen Fällen faltete sich die Zellmembran sogar nach innen und umschlang die Faser so eng, dass der Raum zwischen der Zelle und dem Sensor fast verschwand. Diese enge Umarmung war am effektivsten bei den kurzen, dicken Fasern, wo die Zellmembran der Form der Struktur vollständig folgen konnte. Bei den längeren, zarteren Verzweigungen war die Umschließung zwar ebenfalls vorhanden, wurde aber weniger fest, da die Fasern zu ihren Spitzen hin dünner wurden, was darauf hindeutet, dass die physische Dicke des Astes entscheidend dafür ist, wie gut die Zelle Halt finden kann.

Diese physische Nähe übersetzte sich direkt in eine bessere elektrische Leistung. Die Forscher zeichneten die elektrische Aktivität der Gehirnzellen über mehrere Wochen auf und fanden heraus, dass die Netzwerke, die auf den Kurzfaserelektroden gewachsen waren, aktiver waren als die auf den flachen oder langfasrigen Oberflächen. Die Zellen auf den kurzen Fasern feuerten häufiger und gruppierten ihre Signale zu stärkeren Aktivitätsimpulsen. Dies deutet darauf also darauf hin, dass der enge physische Kontakt durch die kurzen Fasern den Zellen half, effektiver mit dem Gerät zu kommunizieren. Im Gegensatz dazu steigerten die langen Fasern die Aktivität nicht so stark, wahrscheinlich weil die Zellen die dünnen, fernen Spitzen nicht so sicher umschließen konnten wie die dickeren Basen. Die Studie zeigte auch, dass diese neuen Strukturen die allgemeine Organisation des Hirngewebes nicht störten; die Zellen verklumpten nicht oder änderten ihr allgemeines Layout, zeigten aber Anzeichen dafür, spezialisierte Verbindungspunkte, bekannt als Synapsen, genau dort zu bilden, wo sie die Fasern berührten.

Vielleicht noch bemerkenswerter ist, dass diese faserbedeckten Elektroden es den Forschern ermöglichten, etwas zu tun, was mit Standard-Sensoren normalerweise unmöglich ist: Sie konnten kurzzeitig in die Zelle hineinblicken. Mithilfe eines fokussierten Laserstrahls erzeugte das Team ein winziges, temporäres Loch in der Zellmembran, genau dort, wo sie eine Faser berührte. Diese Technik, bekannt als Optoporierung, erlaubte es der Elektrode, das elektrische Signal aus dem Inneren der Zelle aufzuzeichnen – eine Aufgabe, die normalerweise viel invasiveren Methoden vorbehalten ist. Die Qualität dieses internen Signals hing davon ab, wo der Laser auf die Faser traf; das Signal war am klarsten an der Basis des Astes, wo die Zelle die Faser eng umschloss, und wurde zur Spitze hin schwächer. Dies bestätigte, dass die Stärke der Verbindung zwischen der Zelle und der Elektrode durch die lokale Form der Faser bestimmt wird.

Die Arbeit zeigt, dass die physische Form eines neuronalen Sensors genauso wichtig ist wie das Material, aus dem er besteht. Indem die Forscher Elektroden züchteten, die so aussehen und sich so anfühlen wie die Neuronen, mit denen sie interagieren sollen, haben sie eine Plattform geschaffen, die Zellen dazu ermutigt, sich natürlich zu integrieren, wodurch die Lücke verringert wird, die die Kommunikation normalerweise behindert. Obwohl die Technologie noch weiter verfeinert werden muss, um die Signalqualität zu maximieren, etabliert die Studie, dass die Programmierung der physischen Architektur organischer Elektroden ein leistungsstarker Weg ist, um zu kontrollieren, wie lebende Gehirne und künstliche Geräte miteinander verbunden sind. Dieser Ansatz geht über das bloße Erweichen oder Verkleinern von Sensoren hinaus; er verändert die eigentliche Geometrie der Schnittstelle und ermöglicht es dem Gerät, Teil der biologischen Struktur zu werden, für deren Auswertung es konzipiert wurde.