Programmable dendrite-inspired organic electrodes for neuronal interfacing

De hersenen zijn een zacht, nat en voortdurend verschuivend landschap van levende cellen, terwijl de apparaten die we gebruiken om ernaar te luisteren meestal hard, plat en onbuigzaam zijn. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze kloof te overbruggen door rigide metalen of silicium sensoren aan delicaat zenuwweefsel te bevestigen. Het probleem is dat deze twee werelden niet goed bij elkaar passen. Het harde apparaat drukt tegen het zachte weefsel, waardoor het lichaam reageert door een litteken op te bouwen dat de sensor isoleert, vergelijkbaar met een splinter onder de huid. Deze barrière verzwakt het signaal in de loop van de tijd, waardoor het moeilijk wordt om de zwakke elektrische fluisteringen van neuronen duidelijk te horen. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers zich gericht op zachte, plasticachtige materialen die mee kunnen bewegen met de hersenen, maar zelfs deze zachte materialen blijven vaak plat, waardoor er een kleine, lege ruimte ontstaat tussen de sensor en het celmembraan. Die opening werkt als een barrière die de verbinding vertroebelt. Het doel van moderne neurotechnologie is om een sensor te creëren die niet alleen op een neuron zit, maar het ook daadwerkelijk omhelst, waardoor een nauwe, naadloze verbinding ontstaat die de communicatie mogelijk maakt zonder de afweermechanismen van het lichaam te triggeren.

Een team van onderzoekers van het Jülich Research Centre in Duitsland en het Instituut voor Technologie in Italië heeft een belangrijke stap naar dit doel gezet door een nieuw type elektrode te creëren dat de vertakkende structuur van een neuron zelf nabootst. In plaats van een plat oppervlak, hebben ze minuscule, boomachtige vezels direct op hun sensoren gekweekt van een geleidend polymeer. Deze vezels, die lijken op de takken van een boom of de uitlopers van een zenuwcel, zijn ontworpen om aangeraakt en omwikkeld te worden door de neuronen die ze bedoeld zijn te meten. Door de elektrische condities tijdens het groeiproces zorgvuldig te controleren, konden de wetenschappers de grootte, vorm en complexiteit van deze vezels programmeren, waardoor ze een eenvoudig plat vlak transformeerden in een driedimensionale, vertakkende structuur die de cel uitnodigt om dichterbij te komen.

De onderzoekers kweekten deze structuren met een proces dat elektrodepositie wordt genoemd, waarbij ze specifieke elektrische pulsen toepasten op een oplossing die de bouwstenen van het polymeer bevatte. Door de spanning, de snelheid van de pulsen en de duur van de groei aan te passen, konden zij bepalen hoe de vezels zich vormden. Ze creëerden drie verschillende soorten oppervlakken om te testen: een platte, tweedimensionale coating; een versie met korte, dikke vezels; en een versie met lange, ingewikkelde, vertakkende vezels. Deze structuren waren ontworpen om verschillende stadia van de eigen groei van een neuron na te bootsen, van een eenvoudige cellichaam tot een volledig ontwikkeld netwerk van vertakkingen. Het team ontdekte dat ze door simpelweg de elektrische instellingen te veranderen, betrouwbaar konden schakelen tussen deze verschillende vormen, wat bewees dat de fysieke vorm van de elektrode geprogrammeerd kon worden net als een computercode.

Wanneer deze nieuwe elektroden in contact werden gebracht met levende hersencellen van ratten, was het verschil in hoe de cellen met het oppervlak interacteerden opvallend. Op de platte elektroden zaten de cellen bovenop, maar er bleef een merkbare kloof tussen het celmembraan en de sensor. Echter, op de met vezels bedekte elektroden gedroegen de cellen zich anders. De neuronen stuurden hun eigen kleine uitlopers uit, genaamd neurieten, die zich uitstrekten en zich strak om de kunstmatige vezels wikkelden. In sommige gevallen vouwde het celmembraan zelfs naar binnen, waardoor het de vezel zo nauw omhelsde dat de ruimte tussen de cel en de sensor bijna verdween. Deze nauwe omhelzing was het meest effectief bij de korte, dikke vezels, waar het celmembraan volledig kon voldoen aan de vorm van de structuur. Bij de langere, meer delicate takken was de omwikkeling nog wel aanwezig, maar werd deze minder strak naarmate de vezels dunner werden richting hun uiteinden, wat suggereert dat de fysieke dikte van de tak ertoe doet hoe goed de cel zich kan vasthouden.

Deze fysieke nabijheid vertaalde zich direct naar een betere elektrische prestatie. De onderzoekers registreerden de elektrische activiteit van de hersencellen gedurende meerdere weken en ontdekten dat de netwerken die gegroeid waren op de elektroden met korte vezels actiever waren dan die op de platte of langharige oppervlakken. De cellen op de korte vezels vuurden vaker en groepeerden hun signalen in sterkere uitbarstingen van activiteit. Dit suggereert dat het nauwe fysieke contact door de korte vezels de cellen hielp om effectiever te communiceren met het apparaat. In tegen respect was de activiteit bij de lange vezels minder gestimuleerd, waarschijnlijk omdat de cellen de dunne, verre uiteinden niet zo stevig konden omwikkelen als de dikkere basis. De studie toonde ook aan dat deze nieuwe structuren de algemene organisatie van het hersenweefsel niet verstoorden; de cellen klonterden niet samen of veranderden hun algemene lay-out, maar vertoonden wel tekenen van het vormen van meer gespecialiseerde verbindingspunten, bekend als synapsen, precies daar waar ze de vezels raakten.

Misschien wel het meest opmerkelijke was dat deze met vezels bedekte elektroden de onderzoekers in staat stelden om iets te doen wat met standaard sensoren meestal onmogelijk is: ze konden heel even in de cel kijken. Met behulp van een gefocuste laserstraal maakten het team een minuscuul, tijdelijk gaatje in het celmembraan, precies op de plek waar het de vezel raakte. Deze techniek, bekend als optoporatie, stelde de elektrode in staat om het elektrische signaal van binnenuit de cel op te nemen, een taak die normaal gesproken voor veel invasievere methoden is voorbehouden. De kwaliteit van dit interne signaal hing af van waar de laser de vezel raakte; het signaal was het duidelijkst bij de basis van de tak, waar de cel de vezel strak omwikkelde, en werd zwakker richting de punt. Dit bevestigde dat de sterkte van de verbinding tussen de cel en de elektrode wordt bepaald door de lokale vorm van de vezel.

Het werk laat zien dat de fysieke vorm van een neurale sensor even belangrijk is als het materiaal waarvan deze is gemaakt. Door elektroden te kweken die lijken op en aanvoelen als de neuronen waarmee ze moeten interageren, hebben de onderzoekers een platform gecreëerd dat cellen aanmoedigt om natuurlijk te integreren, waardoor de kloof die communicatie gewoonlijk belemmert, wordt verkleind. Hoewel de technologie nog verdere verfijning vereist om de signaalhelderheid te maximaliseren, vestigt de studie de conclusie dat het programmeren van de fysieke architectuur van organische elektroden een krachtige manier is om te controleren hoe levende hersenen en kunstmatige apparaten met elkaar verbinden. Deze benadering gaat verder dan alleen het zachter of kleiner maken van sensoren; het verandert de eigenlijke geometrie van de interface, waardoor het apparaat een onderdeel wordt van de biologische structuur die het is ontworpen om te lezen.