Mii de fire, un singur cip

Cipurile de siliciu pot conține sute de mii, chiar milioane de pixeli electronici minusculi. Creierul are o structură tridimensională în care cipurile plate nu pot pătrunde. Acest studiu, publicat în 2020 în Science Advances de o colaborare dintre Stanford University, Francis Crick Institute, ETH Zürich și alții, le-a conectat pe cele două prin mănunchiuri de fire metalice subțiri.^[1]

Principiul este același ca în articolul însoțitor despre CHIME:^[2] un capăt al mănunchiului este presat pe un cip, celălalt pătrunde în țesut. Acest articol a dus ideea mai departe, atât ca scară, cât și ca varietate a cipurilor și a experimentelor.

Un distanțier care dispare

Dacă firele sunt grupate prea strâns, ele pătrund în țesut ca un singur bloc compact, nu ca multe ace separate. Echipa a rezolvat problema cu un strat sacrificial.^[1] Fiecare fir izolat a fost acoperit cu un plastic numit parilen-C. Grosimea acestui strat stabilește distanța dintre firele vecine odată ce sunt strânse laolaltă. Mănunchiul a fost apoi umplut cu rășină epoxidică, iar capătul său superior a fost lustruit plan pentru cip.

La capătul dinspre creier, o plasmă de oxigen a corodat distanțierul și rășina epoxidică, eliberând firele astfel încât fiecare să poată pătrunde individual. Lungimea liberă a firelor putea fi stabilită de la o jumătate de milimetru până la mult peste un centimetru, iar capetele puteau fi modelate, de exemplu pentru a ajunge simultan în cortex și în structuri mai profunde.

Autorii au calculat cât țesut dislocă un astfel de mănunchi. Pentru fire de 15 micrometri, distanțate la 100 de micrometri, configurația folosită la șoareci, firele ocupă aproximativ 2% din volumul de țesut în care pătrund.

Fire presate pe cipuri

La capătul dinspre cip, izolația a fost îndepărtată prin corodare, lăsând pe fiecare fir aproximativ 10–20 de micrometri de metal neizolat.^[1] O presă cu arc a coborât apoi mănunchiul pe cip. Când vârfurile neizolate atingeau suprafața, ele se îndoiau și se striveau pe pixeli, formând contacte electrice chiar și acolo unde suprafața cipului nu era perfect plană.

Conexiunea s-a dovedit robustă. Doar presa a menținut conectivitatea neschimbată timp de două săptămâni, iar interfața a rezistat chiar și unui bobârnac.

Aceeași metodă a funcționat cu trei cipuri foarte diferite, alese pentru a arăta că nu depinde de un anumit design:

• cipul de imagine al unei camere în infraroșu Xenics Cheetah, cu 327.000 de pixeli;
• un cip de afișaj OLED de la Olightek, cu 1,44 milioane de pixeli; și
• un cip de înregistrare (MEA) de înaltă densitate, cu aproximativ 25.600 de pixeli.

Câte fire se conectează?

Deoarece cipurile au mult mai mulți pixeli decât are mănunchiul fire, firele nu trebuie aliniate unu-la-unu cu pixelii. Un fir poate atinge un pixel sau doi, ceea ce înseamnă pur și simplu două citiri ale aceluiași fir.^[1]

Un mănunchi de 184 de fire a conectat 177 dintre ele, un randament de 96%. Pentru a demonstra scara, echipa a presat pe cipul camerei un mănunchi de 8.640 de fire de aur, cu un diametru de aproximativ 7 milimetri și cu firele la 40 de micrometri unul de altul. Peste 90% dintre fire s-au conectat la un pixel activ.

Adaugă conexiunea zgomot?

Presarea a mii de fire metalice pe un cip ar putea, în principiu, să adauge zgomot electric. Echipa a măsurat zgomotul pe cipul de înregistrare înainte și după conectarea unui mănunchi de 251 de fire de platină–iridiu. Acesta a crescut doar ușor, de la 5,0 ± 1,5 la aproximativ 6,0 ± 2,2 microvolți RMS, valoare pe care autorii o descriu ca fiind mult în limitele tolerabile pentru înregistrările din creier.^[1]

Conexiunea cu cipul a permis și un truc nou. Folosind cipul de afișaj OLED, echipa a aplicat tensiune fiecărui fir în parte pentru a crește pe vârful său un strat de oxid de iridiu, un material care scade impedanța. Impedanța medie la 1 kHz pentru un mănunchi de 150 de fire de aur a scăzut substanțial după acoperire (Fig. 4C). Autorii notează că astfel un singur cip ar putea trata sute până la mii de fire într-un singur pas. Pentru înregistrările la animale au ales fire de platină–iridiu, datorită impedanței lor scăzute (200 ± 27 de kiloohmi) și biocompatibilității pe termen lung.

Înregistrări din retină

Retina este o foaie plată de neuroni, ceea ce o face un bun test pentru un dispozitiv care eșantionează o suprafață. Echipa a așezat un fragment de retină izolată de șobolan pe un mănunchi de 138 de fire conectat la cipul de înregistrare.^[1]

Au înregistrat în total 152 de unități, aproximativ 1,1 pe fir, cu semnale de peste 4,5 ori deviația standard a zgomotului. Activitatea de descărcare a crescut la începutul și la sfârșitul unui puls de lumină, așa cum era de așteptat pe baza tipurilor cunoscute ON și OFF de celule ganglionare retiniene.

Înregistrări la șoareci treji, în mișcare

Testul principal a fost în creierul viu. Șoarecii aveau capul fixat, dar puteau alerga liber pe o bandă de alergare de tip sferă plutitoare, în timp ce mănunchiuri de 135 până la 251 de fire de platină–iridiu, fiecare cu diametrul de 15 micrometri și la aproximativ 100 de micrometri unul de altul, înregistrau din cortexul motor și somatosenzorial sau din striatul, situat mai profund.^[1]

Înregistrările au fost făcute în primele două ore de la implantare. În fiecare sesiune tipică de cinci minute, echipa a identificat între 92 și 221 de neuroni putativi, în medie aproximativ 0,56 unități individuale pe fir.

Înregistrările au urmărit comportamentul. În cortexul motor, frecvența medie de descărcare a crescut de la 8,4 spike-uri pe secundă în repaus la 20,1 în timpul alergării. În striat a crescut de la 13,1 la 18,1. Ritmurile cerebrale din banda gamma (30–80 Hz) din striat au fost de asemenea mai puternice în timpul alergării decât în repaus, în acord cu rapoarte anterioare.

Ce arată și ce nu arată acest studiu

• Ce s-a demonstrat. Mănunchiurile de microfire izolate pot fi conectate cu randament ridicat la mai multe tipuri de cipuri comerciale, fără a adăuga zgomot substanțial, și folosite pentru a înregistra mulți neuroni individuali în retină și la șoareci treji, în mișcare.^[1]
• Ce nu s-a testat. Înregistrările au fost acute, efectuate în decurs de câteva ore de la implantare, cu capul animalului fixat. Autorii descriu miniaturizarea dispozitivului, astfel încât animalele să se poată mișca liber, ca pe o lucrare aflată în desfășurare la momentul respectiv și sugerează că implantarea sub craniu ar putea fi posibilă, dat fiind consumul redus de energie al cipului (sub 70 de miliwați). Niciuna dintre acestea nu a fost demonstrată aici.
• Domeniul de aplicare. Este vorba de o platformă de înregistrare testată pe animale. Nu s-au efectuat experimente pe oameni.

De ce contează

Autorii descriu abordarea ca pe o a treia opțiune, alături de sondele planare de siliciu și de matricele de siliciu microprelucrate: ea păstrează lezarea redusă a țesutului specifică microfirelor subțiri, permițând totodată neuroștiinței să folosească cele mai noi cipuri de siliciu pe măsură ce apar. Îmbunătățirile în proiectarea cipurilor, precum un număr mai mare de canale, stimularea sau detecția electrochimică, ar putea fi preluate, în principiu, prin simpla înlocuire a cipului, în loc de reproiectarea electrodului.

Pentru interfețele creier–computer, articolul arată o cale concretă către un număr de canale care crește odată cu industria de cipuri, nu cu asamblarea manuală.

Cine a realizat lucrarea

Abdulmalik Obaid, Mina-Elraheb Hanna, Yu-Wei Wu și Mihaly Kollo au contribuit în mod egal, alături de Romeo Racz, Matthew R. Angle, Jan Müller, Nora Brackbill, William Wray, Felix Franke, E. J. Chichilnisky, Andreas Hierlemann și Jun B. Ding. Andreas T. Schaefer și Nicholas A. Melosh sunt co-autori seniori.^[1]

Conform secțiunii privind contribuțiile autorilor, conceptul și designul au fost inițiate de Obaid, Hanna, Kollo, Racz, Angle, Schaefer și Melosh, iar Racz s-a numărat printre autorii care au efectuat experimentele, au achiziționat datele și au contribuit la analiză și interpretare.

Conflicte de interese, așa cum sunt declarate în articol. Trei autori sunt co-fondatori și acționari ai Paradromics Inc., o companie care dezvoltă electrofiziologie scalabilă, iar unul dintre autori este co-fondator al MaxWell Biosystems AG. Unii dintre autori au depus cereri de brevet legate de această lucrare.

Procedurile pe animale au fost aprobate de Administrative Panel on Laboratory Animal Care al Stanford University, așa cum se precizează în articol.