“芯片上的神经”平台为利用芯片改进神经修复设计铺平了道路。
神经修复——一种带有多触点电极的植入物，可以替代一些神经功能——有创造奇迹的潜力。他们可能能够恢复截肢者的触觉，通过刺激脊髓帮助瘫痪的人再次行走，并使患有慢性疼痛的人的神经活动保持沉默。在正确的位置和时间刺激神经对有效治疗非常重要，但由于植入物不能准确记录神经活动，因此仍然是一个挑战。“我们的大脑发送和接收数百万个神经脉冲，但我们通常只在患者体内植入十几个电极。这种类型的接口通常没有必要的分辨率来匹配患者神经系统中复杂的信息交换模式，”桑德拉格里比说。
复制-改进-神经修复的工作原理
由EPFL工程学院教授斯特凡尼亚库尔博士主持的实验室的科学家们开发了一个神经芯片平台，它可以刺激和记录来自外植体的神经纤维，就像植入神经假体一样。他们的平台包含嵌入电极和神经纤维的微通道，忠实地复制体内组织的结构、成熟度和功能。
科学家们测试了他们的平台对移植到大鼠脊髓中的神经纤维的影响，并尝试了各种刺激和抑制神经活动的策略。“体外实验通常在培养皿中进行神经元培养。但是这些培养物不能复制你在体内发现的神经元的多样性，比如它们不同的类型和直径。产生的神经细胞的特性也会发生变化。一些科学家常用的细胞外微电极阵列无法记录培养物中单个神经细胞的所有活动，”Grebe说。
EPFL研发的神经芯片平台，两天之内就可以在干净的房间里制造出来，可以快速记录上百个高信噪比的神经反应。然而，真正使它与众不同的是，它可以记录单个神经细胞的活动。这项研究刚刚发表在《自然通讯》上。
抑制特定神经元的活动。
科学家利用他们的平台测试了一种抑制神经活动的光热方法。“神经抑制可能是慢性疼痛的一种治疗方法，如手臂或腿部截肢后的幻肢疼痛，或神经性疼痛，”拉库尔说。
科学家已经在芯片的一些电极上沉积了一种叫做P3HT:PCBM的光热半导体聚合物。“聚合物暴露在光线下会变热。由于我们电极的灵敏度，我们可以测量各种神经纤维之间的活性差异。更具体地说，最细纤维的活性主要被阻断，”Gribi说。正是这些微小的纤维是伤害感受器——引起疼痛的感觉神经元。下一步将在神经周围放置的植入物中使用聚合物来研究体内的抑制作用。
区分感觉和运动神经纤维
科学家们还利用他们的平台来改善记录电极的几何形状和位置，以便开发能够再生周围神经的植入物。通过用强大的算法运行测量的神经数据，他们将能够计算神经脉冲传播的速度和方向——从而确定给定的脉冲是来自感觉神经还是运动神经。拉库尔说：“这将使工程师能够开发双向选择性植入物，从而可以更自然地控制假手等假肢。
基金
这项工作得到了瑞士国家科学基金会、CR32I2-149609SFN和贝塔雷利基金会的支持。
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