Több ezer huzal, egyetlen chip

A szilíciumchipeken több százezer, sőt akár több millió apró elektronikus pixel is elfér. Az agy azonban háromdimenziós szerkezet, amelynek belsejébe a lapos chipek nem érnek el. Ez a tanulmány, amely 2020-ban jelent meg a Science Advances folyóiratban a Stanford University, a Francis Crick Institute, az ETH Zürich és más intézmények együttműködésében, finom fémhuzalokból álló kötegekkel kapcsolta össze a kettőt.^[1]

Az elv ugyanaz, mint a CHIME-ról szóló társtanulmányban:^[2] a köteg egyik vége egy chiphez nyomódik, a másik a szövetbe hatol. Ez a tanulmány méretben, valamint a felhasznált chipek és a kísérletek körében is továbbvitte az ötletet.

Egy eltűnő távtartó

Ha a huzalokat túl szorosan fogják kötegbe, egyetlen tömör tömbként hatolnak a szövetbe, nem pedig sok különálló tűként. A csoport ezt egy feláldozható réteggel oldotta meg.^[1] Minden szigetelt huzalt parilén-C nevű műanyaggal vontak be. Ennek a bevonatnak a vastagsága határozza meg a szomszédos huzalok közötti távolságot, miután azokat szorosan egymás mellé rendezték. A köteget ezután epoxigyantával töltötték ki, a felső végét pedig a chiphez síkra polírozták.

Az agy felőli végen oxigénplazmával marták le a távtartót és az epoxit, így a huzalok kiszabadultak, és mindegyik külön-külön hatolhatott be. A huzalok szabad hossza fél millimétertől jóval egy centiméter fölöttig állítható volt, a végek pedig alakíthatók voltak, például úgy, hogy egyszerre érjék el az agykérget és a mélyebb struktúrákat.

A szerzők kiszámították, mennyi szövetet szorít ki egy ilyen köteg. Az egerekben alkalmazott elrendezésnél – 15 mikrométeres, egymástól 100 mikrométerre lévő huzalok esetén – a huzalok körülbelül 2%-át foglalják el annak a szövettérfogatnak, amelybe behatolnak.

Huzalok a chipre nyomva

A chip felőli végen a szigetelést visszamarták, így minden huzalon körülbelül 10–20 mikrométernyi csupasz fém maradt.^[1] Ezután egy rugós prés engedte rá a köteget a chipre. Amikor a csupasz végek a felülethez értek, meghajlottak és rápréselődtek a pixelekre, így ott is elektromos érintkezést hoztak létre, ahol a chip felülete nem volt tökéletesen sík.

A kapcsolat strapabírónak bizonyult. Önmagában a prés két héten át változatlanul fenntartotta az összeköttetést, és a csatlakozás azt is kibírta, hogy ujjal megpöccintették.

Ugyanez a módszer három nagyon különböző chippel is működött; ezeket azért választották, hogy megmutassák: a módszer nem függ egyetlen konkrét chiptervtől sem:

• egy Xenics Cheetah infravörös kamera képalkotó chipje, 327 000 pixellel;
• egy Olightek gyártmányú OLED-kijelzőchip, 1,44 millió pixellel; és
• egy nagy sűrűségű jelrögzítő chip (MEA), körülbelül 25 600 pixellel.

Hány huzal csatlakozik?

Mivel a chipeken jóval több pixel van, mint ahány huzal a kötegben, a huzalokat nem kell egy az egyben a pixelekhez igazítani. Egy huzal érinthet egy pixelt vagy kettőt; utóbbi esetben egyszerűen kétszer olvassák ki ugyanazt a huzalt.^[1]

Egy 184 huzalos kötegből 177 huzal csatlakozott, ami 96%-os kihozatal. A léptékek érzékeltetésére a csoport egy 8640 aranyhuzalból álló, körülbelül 7 milliméter átmérőjű köteget nyomott a kamera chipjére, 40 mikrométeres huzaltávolsággal. A huzalok több mint 90%-a aktív pixelhez kapcsolódott.

Növeli-e a csatlakozás a zajt?

Ha több ezer fémhuzalt nyomunk egy chipre, az elvben elektromos zajt vihet a rendszerbe. A csoport megmérte a jelrögzítő chip zaját egy 251 platina–irídium huzalból álló köteg csatlakoztatása előtt és után. A zaj csak kis mértékben nőtt, 5,0 ± 1,5-ről körülbelül 6,0 ± 2,2 mikrovolt RMS-re, ami a szerzők szerint bőven az agyi elvezetésekhez még elfogadható tartományon belül van.^[1]

A chipes csatlakozás egy új fogást is lehetővé tett. Az OLED-kijelzőchip segítségével a csoport minden huzalra külön-külön feszültséget kapcsolt, hogy a huzal hegyén irídium-oxid bevonatot növesszen; ez az anyag csökkenti az impedanciát. Egy 150 aranyhuzalból álló köteg átlagos impedanciája 1 kHz-en a bevonás után jelentősen csökkent (4C ábra). A szerzők megjegyzik, hogy így egyetlen chip több száz vagy akár több ezer huzalt kezelhetne egyetlen lépésben. Az állatkísérletekhez platina–irídium huzalokat választottak, alacsony impedanciájuk (200 ± 27 kiloohm) és hosszú távú biokompatibilitásuk miatt.

Felvétel a retinából

A retina idegsejtek lapos rétege, ezért jó próbaterep egy felületről mintát vevő eszköz számára. A csoport egy darab izolált patkányretinát helyezett a jelrögzítő chiphez csatlakoztatott, 138 huzalos kötegre.^[1]

Összesen 152 egységet rögzítettek, huzalonként körülbelül 1,1-et, a zaj szórásának 4,5-szeresét meghaladó jelekkel. A tüzelés egy fényimpulzus kezdetekor és végén is megnőtt, ahogy az a retinális ganglionsejtek ismert ON és OFF típusai alapján várható.

Felvétel ébren lévő, mozgó egerekben

A fő próbatétel az élő agy volt. Az egerek feje rögzítve volt, de szabadon futhattak egy lebegő golyós futópadon, miközben 135–251 platina–irídium huzalból álló kötegek – egyenként 15 mikrométer átmérőjű, egymástól körülbelül 100 mikrométerre lévő huzalokkal – a motoros és a szomatoszenzoros kéregből vagy a mélyebben fekvő striatumból rögzítettek.^[1]

A felvételek a beültetést követő két órán belül készültek. Egy-egy jellemző, ötperces mérés során a csoport 92–221 feltételezett idegsejtet azonosított, ami átlagosan huzalonként körülbelül 0,56 egyedi egységnek (single unit) felel meg.

A felvételek követték a viselkedést. A motoros kéregben az átlagos tüzelési frekvencia a nyugalomban mért 8,4 tüske/másodpercről futás közben 20,1-re nőtt. A striatumban 13,1-ről 18,1-re emelkedett. A striatum gamma-sávú agyi ritmusai (30–80 Hz) is erősebbek voltak futás közben, mint nyugalomban, összhangban a korábbi beszámolókkal.

Mit mutat és mit nem mutat ez a munka

• Amit bemutattak. A szigetelt mikrohuzalokból álló kötegek nagy kihozatallal csatlakoztathatók többféle kereskedelmi chiphez anélkül, hogy számottevő zajt vinnének a rendszerbe, és felhasználhatók sok egyedi idegsejt aktivitásának rögzítésére retinában, valamint ébren lévő, mozgó egerekben.^[1]
• Amit nem vizsgáltak. A felvételek akutak voltak, a beültetést követő néhány órán belül készültek, fejrögzített állatokon. A szerzők az eszköz miniatürizálását – hogy az állatok szabadon mozoghassanak – akkor folyamatban lévő munkaként írják le, és felvetik, hogy a chip alacsony energiafogyasztása (70 milliwatt alatt) miatt a koponya alá történő beültetés is lehetséges lehet. Egyiket sem mutatták be ebben a munkában.
• Hatókör. Ez egy állatokon tesztelt jelrögzítő platform. Emberen nem végeztek kísérleteket.

Miért fontos?

A szerzők a megközelítést harmadik lehetőségként írják le a sík szilíciumszondák és a mikromegmunkált szilíciummátrixok mellett: megőrzi a kis mikrohuzalok csekély szövetkárosító hatását, ugyanakkor lehetővé teszi, hogy az idegtudomány a legújabb szilíciumchipeket használja, amint azok megjelennek. A chiptervezés fejlődése – például a nagyobb csatornaszám, az ingerlés vagy az elektrokémiai érzékelés – elvben a chip cseréjével átvehető lenne, az elektróda újratervezése nélkül.

Az agy–számítógép interfészek szempontjából a tanulmány konkrét utat mutat olyan csatornaszámok felé, amelyek a chipiparral, nem pedig a kézi összeszereléssel együtt nőnek.

Kik végezték a munkát

Abdulmalik Obaid, Mina-Elraheb Hanna, Yu-Wei Wu és Mihaly Kollo egyenlő mértékben járultak hozzá a munkához; további szerzők Romeo Racz, Matthew R. Angle, Jan Müller, Nora Brackbill, William Wray, Felix Franke, E. J. Chichilnisky, Andreas Hierlemann és Jun B. Ding. Andreas T. Schaefer és Nicholas A. Melosh megosztott vezető szerzők.^[1]

A tanulmány szerzői hozzájárulásokról szóló része szerint a koncepciót és a tervezést Obaid, Hanna, Kollo, Racz, Angle, Schaefer és Melosh kezdeményezte, Racz pedig azon szerzők között volt, akik kísérleteket végeztek, adatokat gyűjtöttek, és hozzájárultak az elemzéshez és az értelmezéshez.

Összeférhetetlenség – a tanulmányban tett nyilatkozat szerint. Három szerző társalapítója és részvényese a skálázható elektrofiziológiai megoldásokat fejlesztő Paradromics Inc.-nek, egy szerző pedig a MaxWell Biosystems AG társalapítója. A munkához kapcsolódóan a szerzők egy része szabadalmi bejelentéseket nyújtott be.

A tanulmány szerint az állatkísérleti eljárásokat a Stanford University Administrative Panel on Laboratory Animal Care testülete hagyta jóvá.