Tanulmány · Science Advances · 2020
Több ezer huzal, egyetlen chip
Akár 8640 vékony huzalból álló kötegeket nyomtak kamera-, kijelző- és jelrögzítő chipekre, majd ezekkel idegsejtek aktivitását rögzítették retinában, valamint ébren lévő, futó egerekben.
Cancer Neurotechnology Lab
2026. október 14. · 10 perc olvasás
Ez a cikk az angol eredeti fordítása. Eltérés esetén az angol változat az irányadó.
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.
Így készülnek a kötegek. A huzalokat eltávolítható távtartóval vonják be, kötegbe fogják, epoxiba ágyazzák és polírozzák, majd a szövet felőli végen kiszabadítják (A–D). A grafikon azt mutatja, hogyan szabja meg a huzalok távolsága a kiszorított szövet arányát: 15 mikrométeres, egymástól 100 mikrométerre lévő huzaloknál ez 2% (E). A kiszabadított huzalok azonos vagy eltérő hosszúságúra vághatók (F–H).
Forrás: Obaid, Hanna, Wu, Kollo et al., Sci. Adv. 6, eaay2789 (2020), CC BY 4.0 licenc alapján.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.
A felépítés. A mikrohuzal-köteg egyik végét egy chiphez nyomják (A, B), a másik végén egyenként behatoló huzalokra nyílik szét (C). A D panelen egy 800 huzalból álló, 100 mikrométeres huzaltávolságú köteg látható egy 0,6 cm-nél keskenyebb eszközben.
Forrás: Obaid, Hanna, Wu, Kollo et al., Sci. Adv. 6, eaay2789 (2020), CC BY 4.0 licenc alapján. A D panel fényképe: Mina Hanna, Stanford University.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.
Érintkezés nagy léptékben. Egy rugós prés engedi a köteget a chipre (A), a csupasz huzalvégeket a pixelekre préselve (B). A C és D panel a 8640 huzalos köteg egy részét és annak kapcsolódási térképét mutatja a kamera chipjén; a huzalok több mint 90%-a csatlakozott.
Forrás: Obaid, Hanna, Wu, Kollo et al., Sci. Adv. 6, eaay2789 (2020), CC BY 4.0 licenc alapján.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.
Csatlakozás, bevonat és zaj. Elegendő huzaltávolság esetén minden huzal legalább egy pixelt érint, illesztés nélkül is (A, B). A kijelzőchipen keresztül irídium-oxiddal bevont huzalvégek impedanciája alacsonyabb volt, mint a csupasz aranyé (C). Egy 251 huzalos köteg csatlakoztatása csak kis mértékben növelte a chip zaját (D).
Forrás: Obaid, Hanna, Wu, Kollo et al., Sci. Adv. 6, eaay2789 (2020), CC BY 4.0 licenc alapján.8640
Huzal a legnagyobb kötegben
több mint 90%
A csatlakozott huzalok aránya ebben a kötegben
5,0 → 6,0 µV
RMS-zaj: csupasz chip, illetve 251 huzalos köteggel
~2%
Kiszorított szövettérfogat (15 µm-es huzalok, 100 µm távolságban)
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.
Retina egy huzalkötegen. Az izolált retina perfúziós kamrában fekszik a kötegen (A). A huzalok spontán aktivitást (B) és fényre adott válaszokat (C) rögzítettek; a tüzelés minden fényimpulzusnál megnőtt (D).
Forrás: Obaid, Hanna, Wu, Kollo et al., Sci. Adv. 6, eaay2789 (2020), CC BY 4.0 licenc alapján.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.
Idegsejtek és viselkedés. Egy fejrögzített egér futópadon fut, miközben egy köteg a kéreg nagy területéről rögzít (A, B). Futás közben nő az aktivitás (C, D). A tüzelési frekvencia futás közben magasabb volt a motoros kéregben és a striatumban is (E), a striatális gammaritmusok pedig erősebbek voltak (F, G).
Forrás: Obaid, Hanna, Wu, Kollo et al., Sci. Adv. 6, eaay2789 (2020), CC BY 4.0 licenc alapján.152
Rögzített egység patkányretinában (138 huzal)
92–221
Feltételezett idegsejt 5 perces mérésenként egerekben
8,4 → 20,1
Tüske/s a motoros kéregben: nyugalom, illetve futás
13,1 → 18,1
Tüske/s a striatumban: nyugalom, illetve futás
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.
Források
- [1]Obaid A, Hanna M-E, Wu Y-W, Kollo M, Rácz R, et al. Massively parallel microwire arrays integrated with CMOS chips for neural recording. Science Advances 6(12):eaay2789 (2020). Open access. doi.org/10.1126/sciadv.aay2789
- [2]Kollo M, Rácz RR, Hanna M-E, et al. CHIME: CMOS-hosted in vivo microelectrodes for massively scalable neuronal recordings. Frontiers in Neuroscience 14:834 (2020). Open access. doi.org/10.3389/fnins.2020.00834
Az eredeti munka hivatkozása: Obaid A, Hanna M-E, Wu Y-W, Kollo M, Racz R, Angle MR, Müller J, Brackbill N, Wray W, Franke F, Chichilnisky EJ, Hierlemann A, Ding JB, Schaefer AT, Melosh NA. Massively parallel microwire arrays integrated with CMOS chips for neural recording. Science Advances. 2020;6(12):eaay2789. doi:10.1126/sciadv.aay2789
Az ábrák az eredeti, nyílt hozzáférésű cikkből származnak, a CC BY 4.0 licenc alapján. A képaláírásokat a nagyközönség számára átírtuk; a szerzők teljes képaláírásai az eredeti tanulmányban olvashatók.
Ez az összefoglaló a közérthetőséget szolgálja, és nem minősül orvosi tanácsnak.