Onderzoekers hebben een draadloos hersenimplantaat ontwikkeld dat zo klein is dat je het met het blote oog nauwelijks kunt zien. Het apparaatje, niet groter dan een zoutkorrel, kan bij muizen meer dan een jaar lang de hersenactiviteit meten, volledig zonder kabels of batterijen.
Bij mensen met hersenaandoeningen moet de hersenactiviteit vaak langdurig worden gemonitord. Maar de huidige technologie schiet daarin tekort. Implantaten met draden kunnen schade veroorzaken aan het hersenweefsel en bestaande draadloze alternatieven zijn meestal te groot. Ze verdringen zoveel hersenweefsel dat ze ongeschikt zijn voor langdurige metingen in kleine proefdieren.
Licht in plaats van radio
Onderzoekers aan Cornell University hebben nu een grote stap vooruit gezet. Ze hebben een draadloos implantaat ontwikkeld dat extreem klein is. Dat is mogelijk omdat het apparaat licht gebruikt om te communiceren en als energiebron. Dat laatste kan doordat een externe LED continu licht stuurt naar het implantaat. Dit licht wordt vervolgens omgezet in elektrische energie via een fotovoltaïsche cel. Je kan het vergelijken met een extreem klein zonnepaneeltje.
Dezelfde cel dient ook als zender. Het implantaat wekt 93 procent van de tijd energie op en gebruikt slechts 0,06 procent om infrarood licht uit te sturen waarin de gemeten hersensignalen zijn gecodeerd.
De data worden verzonden via zogeheten pulse-position modulation. In plaats van de lichtsterkte te variëren (wat gevoelig is voor ruis), verandert het systeem de timing tussen de lichtflitsen. Een externe sensor vangt die flitsen op en vertaalt de timing terug naar de oorspronkelijke hersensignalen.
Kleiner dan een haar dik is
Het complete systeem meet 370 bij 70 micrometer en is ongeveer 20 micrometer dik. Dat is minder dan een halve kubieke millimeter. Je kan het qua formaat vergelijken met een zoutkorrel, maar dan platter. Het apparaatje bevat 307 transistoren die gezamenlijk slechts 1 microwatt aan stroom verbruiken.
De minuscule transistoren versterken de zwakke elektrische signalen die neuronen produceren. Het systeem kan zowel individuele actiepotentialen (de ‘vuurmomenten’ van neuronen) als lokale veldpotentialen meten. Dat zijn de langzamere golven die de gezamenlijke activiteit van groepen hersencellen weergeven.
Beschermd tegen vocht en licht
Een van de grootste uitdagingen was om de elektronica te beschermen tegen de agressieve omgeving van het lichaam, zonder het implantaat groter te maken. De onderzoekers brachten daarvoor extreem dunne, dichte lagen aan die atoom voor atoom zijn opgebouwd, aangevuld met een coating van platina. Deze beschermlaag is in totaal minder dan 1,5 micrometer dik.
Het platina heeft nog een tweede functie: het schermt de elektronica af van licht. Zonder deze bescherming zou het externe stuurlicht ongewenste elektrische stromen opwekken in de siliciumchips.
Een jaar lang metingen
De onderzoekers hebben hun implantaat eerst getest met gekweekte hartspiercellen in een petrischaaltje. Ze konden de hartslag succesvol registreren en zelfs de effecten van medicijnen meten die het hartritme versnellen of vertragen.
Daarna volgden tests bij zes muizen. De implantaten werden ingebracht in het hersengebied dat snorhaarinformatie verwerkt. Door de snorharen met een motortje te bewegen, konden de onderzoekers hersenactiviteit opwekken en die tot 365 dagen lang meten bij wakkere dieren. Bij twee muizen werd het implantaat op het hersenoppervlak geplaatst, bij vier anderen dieper in de hersenschors.
Beter dan alternatieven
Het implantaat heeft voordelen ten opzichte van bestaande systemen. Radiofrequente of ultrasone implantaten zijn doorgaans minstens duizend keer groter omdat hun afmetingen worden beperkt door de golflengte van het communicatiesignaal. Optische vezels veroorzaken meer weefselschade en leveren na drie maanden meestal geen bruikbare signalen meer op.
Een techniek genaamd multifoton microscopie kan wel maandenlange metingen uitvoeren, maar werkt alleen met genetisch aangepaste neuronen die fluorescerende eiwitten aanmaken. Bovendien is de tijdsresolutie beperkt en kunnen slechts oppervlakkige hersengebieden worden onderzocht.
Nog werk aan de winkel
De studie heeft ook beperkingen. Er werden slechts zes implantaten getest, waarvan er vier langdurig goed werkten. Eén implantaat raakte beschadigd tijdens de voorbereiding en één werd te diep geplaatst, waardoor het signaal te zwak was om betrouwbaar te decoderen. Na verloop van tijd werden de signalen bovendien zwakker.
Het implantaat heeft echter veel potentieel. Het is klein genoeg om te gebruiken in organoïden (minihersenen in een schaaltje) en in ongewervelde dieren, waar bestaande technologie te groot voor is. Omdat het apparaat geen kabels bevat, kan het gebruikt worden met andere meetmethoden zoals fMRI-scans. Door het kleine volume en het ontbreken van draden zou het bovendien geschikt kunnen zijn voor metingen in weefsel buiten de hersenen, bijvoorbeeld in het hart of de ingewanden.
