Fir mic, suprafață mare: brevetul sondei electrochimice

Orice electrod care atinge un țesut viu se confruntă cu un compromis. Cu cât este mai subțire, cu atât perturbă mai puțin țesutul. Dar un fir mai subțire are un vârf mai mic, iar un vârf mai mic „ascultă” mai prost: impedanța lui crește, semnalele slăbesc, iar zgomotul se amplifică.

Brevetul american 10,768,139, depus de Francis Crick Institute, cu inventatorii Romeo-Robert Rácz, Mihaly Kollo și Andreas Schaefer, descrie o cale de a ocoli acest compromis.^[1] Firul rămâne foarte subțire, dar vârful său este reconstruit prin chimie, astfel încât un vârf minuscul să se comporte ca unul mult mai mare.

Problema abordată

Brevetul explică faptul că, pe măsură ce senzorii neurali sunt miniaturizați, impedanța lor în fluidele sărate ale organismului crește, semnalele slăbesc, iar zgomotul se accentuează.^[1] Acest lucru îi obligă pe proiectanți să adauge etaje de amplificare, filtrare și circuite de adaptare, care consumă energie, o problemă critică pentru implanturile alimentate de baterii. Îmbunătățirea intensității semnalului, păstrând în același timp electrozii la scară micrometrică, este, în cuvintele brevetului, „de o importanță capitală”.

Ce descrie brevetul

Prima revendicare definește sonda.^[1] Aceasta este un mănunchi de electrozi filiformi așezați unul lângă altul. Fiecare are un miez conductor și izolație, un diametru de 25 de micrometri sau mai mic și un capăt anterior care se îngustează până la un punct. Pe vârful șlefuit se află un strat de nanostructuri de metal sau de oxid metalic, fiecare cu lățimea de 500 de nanometri sau mai mică, care reduce impedanța și nu se extinde dincolo de diametrul propriu al firului. Deasupra se află un strat de funcționalizare. De-a lungul laturilor fiecărui fir, izolația este în contact direct cu miezul.

Revendicările suplimentare acoperă teci izolatoare separate sau o matrice izolatoare comună; nanostructuri din metale nobile și din aur; un vârf retras, cu straturile depuse în interiorul adânciturii; grupuri diferite de fire care poartă straturi de funcționalizare diferite; un ham cu fire de ghidare care pot orienta vârful mănunchiului; asocierea sondei cu un cip amplificator; și metode de fabricare.

Reconstruirea vârfului

Brevetul descrie o acoperire în doi pași.^[1] Mai întâi, pe vârful șlefuit se crește aur sub forma unui strat de nanostructuri solzoase, puternic ramificate, care oferă o suprafață mare pentru transferul de sarcină. Apoi, deasupra se depune un strat spongios, poros, de oxid de iridiu. Brevetul observă că oxidul de iridiu permite detecția pH-ului și că marea sa capacitate de stocare a sarcinii ajută la furnizarea de curent pentru stimulare și la detectarea unor substanțe precum dopamina.

Brevetul compară trei vârfuri: aur șlefuit neacoperit, oxid de iridiu singur și combinația cu două straturi, pe care o numește „JULIE”. Vârful cu două straturi a avut o impedanță cu aproximativ un ordin de mărime mai mică decât celelalte două.

Înregistrarea neuronilor

Pentru a testa electrozii, inventatorii au înregistrat în bulbul olfactiv al unor șoareci anesteziați, cu vârste între 4 și 6 săptămâni.^[1] Au înregistrat în mod fiabil spike-uri de până la 1,6 milivolți și semnale bine izolate, de 500 până la 1.500 de microvolți, de la neuroni aflați la aproximativ 20–30 de micrometri de vârf. Unitățile au putut fi înregistrate în tot bulbul olfactiv, după ce sonda fusese coborâtă câțiva milimetri și readusă într-o poziție mai superficială. Brevetul le compară cu înregistrări realizate cu o sondă comercială obișnuită, care arată spike-uri mult mai mici.

Brevetul enumeră și alte avantaje: fire de penetrare de 2 până la 5 ori mai mici și situsuri de înregistrare de până la 50 de ori mai mici decât la sondele convenționale, ceea ce, potrivit brevetului, reduce deplasarea țesutului și îmbunătățește separarea semnalelor provenite de la neuroni individuali; precum și vârfuri care pot fi ascuțite până la vârf de ac.

Conectarea la un cip

La capătul posterior, pe fiecare fir se cresc proeminențe de aur. Brevetul descrie presarea acestora direct pe padurile de contact ale unui cip amplificator, cum ar fi un cip de tip matrice de microelectrozi sau un potențiostat bazat pe CMOS, fără niciun conector intermediar.^[1] Pentru mănunchiurile cu mai mult de aproximativ 1.000 de fire, observă brevetul, conectarea fiecăruia în parte devine nepractică, așa că presarea directă este abordarea mai utilă.

Este același principiu care a fost testat ulterior la scară largă în lucrarea CHIME, în care mănunchiuri de sute de fire au fost presate pe cipuri CMOS pentru a înregistra activitatea din creierul de șoarece.^[3]

O singură sondă, mulți senzori

Deoarece stratul de aur oferă o platformă pentru numeroase învelișuri, brevetul descrie sonde în care grupuri diferite de fire poartă straturi de funcționalizare diferite: de exemplu, un grup cu oxid de iridiu pentru pH sau semnale electrice, altul cu sonde de ADN, altul cu o enzimă pentru detectarea alcoolului.^[1] Printre aplicațiile potențiale enumerate se numără înregistrarea și stimularea neurală, detectarea neurotransmițătorilor, detecția pH-ului, a glucozei, a ADN-ului și detecția imunologică, precum și microscopia electrochimică de baleiaj. Acestea sunt descrise ca utilizări posibile, nu ca rezultate demonstrate.

Brevetul descrie și un ajutor practic pentru fabricație: un conector umplut cu un compozit de carbon care atinge simultan capetele tuturor firelor, astfel încât un mănunchi cu multe fire să poată fi acoperit într-un singur pas, fără a deteriora proeminențele de aur.

Ce este și ce nu este un brevet

• Ce arată. Un design concret de electrod și modul de fabricare a acestuia, cu măsurători de impedanță și înregistrări din creierul de șoarece raportate în brevet.^[1]
• Ce nu arată. Implantarea de lungă durată, siguranța sau utilizarea la oameni. Majoritatea aplicațiilor de detecție enumerate sunt descrise, nu testate.
• Ce îl definește. Sfera protecției este stabilită de revendicările acordate, care ar trebui citite integral în registrul public.

De ce contează

Ideea separă două lucruri care de obicei intră în conflict: dimensiunea firului, care decide cât de blând interacționează acesta cu țesutul, și suprafața vârfului său, care decide cât de bine detectează. Acest principiu străbate toată activitatea care a urmat. Electrozii au fost descriși în detaliu, împreună cu experimente de înregistrare și stimulare, în articolul despre jULIEs.^[2] Citiți ghidul nostru despre acel articol. Un brevet ulterior a aplicat aceiași electrozi unui implant vizual cu număr mare de canale.^[4]