أنظمة تسجيل عصبية لاسلكية متكاملة الطاقة على الجمجمة باستخدام طريقة الطباعة المباشرة

[Lotfy]

أنظمة تسجيل عصبية لاسلكية متكاملة الطاقة على الجمجمة باستخدام طريقة الطباعة المباشرة لتحليل الدماغ العميق
خلاصة
تعاني أجهزة التسجيل العصبي اللاسلكية التقليدية المتكاملة الطاقة من بطاريات صلبة ضخمة الحجم مثبتة على الرأس، مما يعيق التفسير الدقيق للسلوكيات الطبيعية للشخص. تشكل مصادر الطاقة هذه أيضًا مخاطر تسرب المواد وارتفاع درجة الحرارة. نقدم الطباعة المباشرة لنظام تسجيل عصبي لاسلكي متكامل الطاقة يتوافق بسلاسة مع الجمجمة. تمت طباعة بطارية Zn-ion الصغيرة شبه الصلبة بالطباعة ثلاثية الأبعاد كمصدر طاقة مدمج متزامن هندسيًا مع شكل جمجمة الفأر. تمت أيضًا طباعة مجسات عصبية ناعمة في أعماق الدماغ، والترابطات، والإلكترونيات المساعدة باستخدام معادن سائلة على الجمجمة بدقة عالية. أظهرت الدراسات التي أجريت على الفئران مدى موثوقية نظام التسجيل العصبي اللاسلكي هذا وتوافقه الحيوي، مما يتيح مراقبة الأنشطة العصبية عبر مناطق واسعة من الدماغ دون توليد حرارة ملحوظة. يُحدث نظام الواجهة العصبية المطبوع بالكامل ثورة في أبحاث الدماغ، حيث يوفر تكوينات قابلة للتخصيص بيولوجيًا لتحسين جودة البيانات والتجربة الطبيعية.
مقدمة
يشكل الدماغ شبكة معقدة ثلاثية الأبعاد تتكون من عدد هائل من الخلايا العصبية التي تعمل باستمرار على توليد ونقل إشارات التواصل. تلعب هذه الأنشطة العصبية وأنماط إطلاق النار دورًا محوريًا في التحكم في وظائف الجسم والوعي وتكوين الذكريات. يعد فهم الفيزيولوجيا الكهربية للخلايا العصبية والاتصال الوظيفي للأنشطة العصبية على مستوى الشبكة أمرًا ضروريًا للبحث الأساسي في علاج العديد من الأمراض العصبية، مثل مرض باركنسون (PD)، ومرض الزهايمر، والصرع، واضطراب الاكتئاب الشديد (1). واستجابة لهذا التحدي، شهدت الأجهزة الإلكترونية القابلة للزرع والمعروفة باسم المجسات العصبية تطورًا ملحوظًا. تم تصميم هذه الأجهزة لتحويل الإشارات العصبية إلى إشارات إلكترونية، مما يسمح بمراقبة دقيقة لأنشطة الخلايا العصبية داخل مناطق محددة في الدماغ (2-6). على وجه الخصوص، مكنت التطورات الحديثة في تقنيات التصنيع الدقيق والإلكترونيات الحيوية تحقيقات عصبية مرنة للتسجيل الموثوق به من خلال ضمان التوافق الميكانيكي والهيكلي مع أنسجة المخ (7-12).
المنظور السائد في علم الأعصاب والهندسة الطبية الحيوية هو أن أنشطة مجموعة الخلايا العصبية تتأثر بشكل ملحوظ بحالة الموضوع. يسمح هذا المنظور بفهم أفضل للحسابات العصبية المتعلقة بالعمليات السلوكية والمعرفية المتنوعة، خاصة أثناء الحركة غير المقيدة والحالات المنقولة بحرية (13، 14). ومع ذلك، فإن استخدام العديد من المجسات العصبية المتصلة بأجهزة التسجيل الخارجية عبر الكابلات والأسلاك يحد من حرية حركة الشخص. ونتيجة لذلك، أصبحت أجهزة التسجيل العصبي اللاسلكية لا غنى عنها لتسهيل المزيد من الحركات والسلوكيات الطبيعية في المواضيع. وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص في الدراسات التي تهدف إلى فهم كيفية استجابة الدماغ لبيئات ومهام محددة. بالإضافة إلى ذلك، يحمل التسجيل العصبي اللاسلكي القدرة على تحسين جودة البيانات من خلال القضاء على احتمالية الضوضاء والتداخل الناجم عن الأسلاك (15-23).
وبالنظر إلى الكمية الكبيرة من البيانات العصبية التي سيتم جمعها، فإن التكنولوجيا الأكثر قابلية للتطبيق للتسجيل العصبي اللاسلكي هي نظام يعمل بالبطارية مع توفر الأجهزة المرتبطة به على نطاق واسع (18، 20-22). البطاريات، المعروفة بكثافة الطاقة العالية واستقرار التشغيل، تجعلها خيارًا واعدًا لتشغيل أجهزة الواجهة العصبية. ومع ذلك، تشغل تكوينات البطارية الضخمة والصلبة الحالية أكثر من 90% من حجم الجهاز وأكثر من 60% من كتلته (16). لاستخدام هذه البطاريات على الحيوانات الصغيرة، يلزم تركيبات أو بدلات إضافية لتثبيتها على الرأس أو الظهر، مما يعيق السلوك الحر لحيوانات التجارب (24، 25). علاوة على ذلك، فإن خطر تسرب الإلكتروليت وارتفاع درجة الحرارة في البطاريات التقليدية يشكل عقبة كبيرة أمام تكوين أنظمة متكاملة حيويًا (26-29). لذلك، هناك حاجة قوية للبطاريات التي (1) يمكن تشكيلها لتتوافق مع الأسطح البيولوجية غير المستوية و (2) تتكون من إلكتروليتات شبه صلبة ومتوافقة حيويًا لمنع التسربات في الواجهات العصبية اللاسلكية.
عند النظر في نظام الواجهة العصبية بأكمله، تعد المكونات الإلكترونية المساعدة المختلفة ضرورية لجمع ومعالجة الإشارات الأولية التي تكتشفها المجسات العصبية. في حين تم بذل العديد من الجهود لتعزيز الاستقرار على المدى الطويل وجودة الإشارة للمسابير العصبية اللينة، فإن الإلكترونيات المسؤولة عن نقل الإشارات اللاسلكية واتصالاتها الكهربائية لا تزال تستخدم عادةً لوحات الدوائر المطبوعة المسطحة والصلبة (PCBs) المصنوعة من مواد صلبة وهشة. (30، 31). يمكن لهذه الاختلافات الهيكلية والمادية أن تؤثر على توافق نظام الواجهة العصبية مع الأنظمة البيولوجية وتعوق إمكانية استخدامه على المدى الطويل في الأشخاص الذين يحتاجون إلى التحرك بحرية. وعلى النقيض من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية المسطحة والصلبة، فإن دمج الأجهزة الإلكترونية القابلة للتمدد يوفر مزايا ملحوظة حيث يمكن مطابقتها بسلاسة مع الخطوط المنحنية للجسم. علاوة على ذلك، يعد تنويع التصميم الهيكلي أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء مكونات الجهاز ذات الأشكال الهندسية المختلفة المصممة خصيصًا لمواضيع فردية. على سبيل المثال، يمكن أن يختلف شكل وحجم الدماغ والجمجمة بشكل كبير بين الأفراد، ويجب تخصيص موضع المجسات العصبية المتعددة لتحليل وتحفيز مناطق معينة في الدماغ. وفي هذا الصدد، أثبتت تقنيات الطباعة المستعارة من الفنون التخطيطية، وخاصة تلك التي تستخدم أساليب الكتابة المباشرة، قيمتها لمرونتها في تصميم التكوينات الهيكلية المختلفة. يمكن تكييف هذه التصميمات بسرعة باستخدام أنظمة الطباعة التي يتم التحكم فيها بواسطة البرامج. ولذلك، فإن الطباعة المباشرة للبطاريات والإلكترونيات المساعدة المدمجة مع المجسات العصبية الناعمة على الجمجمة يمكن أن تكون المفتاح لأنظمة التسجيل العصبية الشخصية والقابلة للتخصيص.
هنا، نورد طريقة طباعة مباشرة غير تقليدية لنظام تسجيل عصبي لاسلكي متكامل الطاقة يمكن تشكيله بشكل مطابق على الجمجمة. يتكون نظام الواجهة العصبية المطبوعة هذا من بطارية Zn-ion الصغيرة شبه الصلبة (ZIMB)، وتحقيقات عصبية ناعمة قائمة على المعدن السائل، وترابطات قحفية. بالمقارنة مع أجهزة التواصل العصبي اللاسلكية التقليدية، يقدم نهجنا العديد من المزايا المتميزة. أولاً، بدلاً من أشكال البطاريات الصلبة والمسطحة، يقوم نظامنا بدمج مصدر الطاقة الكهربائية بسلاسة في النظام البيولوجي. نحقق ذلك من خلال طباعة ZIMB شبه الصلبة المطابق على سطح الجمجمة غير المستوي لتلبية المتطلبات الهندسية ومتطلبات الطاقة في نفس الوقت. بالإضافة إلى ذلك، فإن طريقة الطباعة هذه، التي تسمح بتكديس الأقطاب الكهربائية متعددة الطبقات، توفر زيادة في سعة المساحة داخل منطقة محصورة من الجمجمة، وبالتالي تحسين وقت تشغيل جهاز التسجيل العصبي هذا. ولمعالجة مخاطر السلامة المتعلقة بالبطارية، نستخدم إلكتروليتًا مائيًا شبه صلب، وهو غير قابل للاشتعال وخالي من التسرب، مقارنةً بالإلكتروليتات العضوية التقليدية ذات الحالة السائلة (32). ثانيًا، نقوم بتشكيل مجسات عصبية ناعمة ذات أبعاد دقيقة تشبه الخلايا العصبية المفردة من خلال طباعة عالية الدقة لمعدن سائل، وسبائك الغاليوم والإنديوم سهلة الانصهار (EGaIn؛ 75.5% جاليوم و24.5% إنديوم من حيث الوزن). تعمل هذه الأبعاد الشبيهة بالخلايا العصبية للمسابير العصبية المعدنية السائلة الناعمة على تقليل الالتهاب والاستجابات المناعية عن طريق ضمان التوافق الميكانيكي مع الدماغ. يمكن التحكم بدقة في هياكل المسبار من خلال ظروف الطباعة، مما يسمح بالتكيف مع أعماق ومواقع مختلفة داخل الدماغ. بالإضافة إلى ذلك، توفر خصائص الشفاء الذاتي للمعدن السائل توصيلًا كهربائيًا مستقرًا، حتى في ظل الضغوط المحتملة أو التشوهات غير المرغوب فيها. ثالثًا، تتم طباعة الترابطات القحفية مباشرة على طول الجمجمة في الجسم الحي لتوصيل المجسات العصبية الناعمة المزروعة في مناطق متعددة بالدماغ كهربائيًا. هذا النظام المتكامل بشكل متجانس (أي المعدن السائل لجميع المجسات العصبية والوصلات البينية) الموجود على الجمجمة يستوعب بشكل فعال الاختلافات الفردية في شكل وحجم الجمجمة والدماغ، مما يسمح بتكوينات شخصية وقابلة للتخصيص لتلبية الاحتياجات الفردية الفردية. يتضمن نهجنا عملية تدريجية، تبدأ بـ (i) طباعة وإدخال مجسات عصبية في الدماغ، (ii) طباعة الترابطات على الجمجمة، و(iii) طباعة ZIMB. يمكن لهذه الإلكترونيات الحيوية المطبوعة أن توفر تسجيلًا عصبيًا لاسلكيًا موثوقًا لمناطق متعددة في الدماغ بتكوينات قابلة للتخصيص وقابلة للتخصيص داخل منطقة الجمجمة المحصورة. علاوة على ذلك، يوفر تكاملنا في الجسم الحي استقرارًا جيدًا في الفئران من خلال الاختبارات الميدانية المفتوحة، واختبارات توليد الحرارة، وتقييم التوافق الحيوي. نعرض أيضًا تسجيلًا عصبيًا لاسلكيًا مستقرًا لإمكانات المجال المحلي (LFPs)، وآثار وحدة واحدة، وتحليل المكونات الرئيسية (PCA) - طفرات وحدة مفردة مجمعة من 16 منطقة مختلفة في الدماغ في الفئران التي تتحرك بحرية. نتائجطباعة ثلاثية الأبعاد غير مستوية لـ ZIMBs شبه الصلبة لإلكترونيات الجمجمة
كشرط أساسي لتنفيذ إلكترونيات الجمجمة المدمجة بالطاقة، يجب أن يكون ZIMB متزامنًا هندسيًا مع سطح الجمجمة. ولهذا الغرض، تمت طباعة ZIMB ثلاثي الأبعاد مباشرة على السطح غير المستوي لنموذج الجمجمة القابل للزرع، كما هو موضح تخطيطيًا في الشكل 1A. هنا، أسفر التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT) لرأس فأر حي عن صورة جمجمة لهندستها ثلاثية الأبعاد، مما سمح بعد ذلك بتصنيع نموذج جمجمة قابل للزرع باستخدام طريقة تصنيع مضافة تجارية. بعد ذلك، تم ترسيب الأحبار الوظيفية لكل مكونات البطارية (أي الكاثود والأنود والإلكتروليت ومواد التعبئة والتغليف) على التوالي بشكل مطابق على سطح الجمجمة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوية المستندة إلى الكتابة بالحبر المباشر (DIW) (الشكل S1). يتكون ZIMB المطابق الناتج من مجمع تيار ذهبي (Au) وكاثود قائم على مسحوق أكسيد المنغنيز (α-MnO2) وأنود قائم على مسحوق Zn وكهارل مركب مائي شبه صلب معالج بالأشعة فوق البنفسجية (UV) ، مع عبوة راتينج معالج بالأشعة فوق البنفسجية (الشكل 1A). غالبًا ما عانت الأساليب السابقة لتصنيع أو نقل مصادر الطاقة مباشرة على الأنسجة البيولوجية من عدم التطابق الأبعاد والجسدي بين البطاريات الإلكترونية المسطحة والصلبة وأسطح الأنسجة الرخوة غير المستوية (33-35). ومع ذلك، في المقابل، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد لأحبار مكونات البطارية على سطح نموذج الجمجمة غير المستوية شكلت ZIMB بشكل متوافق مع واجهة سلسة بين الجمجمة والبطارية. يمكن زرع نموذج الجمجمة المطبوع مسبقًا هذا بواسطة ZIMB مباشرة في جمجمة حيوان حي للتسجيل العصبي اللاسلكي في العمليات اللاحقة. الشكل 1. طباعة ثلاثية الأبعاد غير مستوية لـ ZIMBs لإلكترونيات الجمجمة.
(أ) رسم تخطيطي يصور الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوية لـ ZIMB ومكوناته على الأسطح غير المستوية. (ب) صور فوتوغرافية لأحبار الكاثود المستندة إلى رابط CNF/TOCN (مقابل رابط PVDF) (المحتوى الصلب، 20٪ بالوزن). (C) خصائص اللزوجة المرنة (G ′ وG ″) لأحبار الكاثود المستندة إلى رابط CNF/TOCN (مقابل رابط PVDF) كدالة لإجهاد القص. (D) ملفات تعريف 3ITT لأحبار الكاثود المستندة إلى رابط CNF/TOCN (مقابل رابط PVDF) بعد إحداث اضطراب هيكلي عن طريق زيادة معدل القص (من 0.05 إلى 1 ثانية). (E) الاحتفاظ بعرض الخط (w/w0) والاحتفاظ بالسمك (t/t0) لأحبار الكاثود المطبوعة ثلاثية الأبعاد طبقة بطبقة في مواضع مختلفة من الركيزة على شكل منحدر (منحدر 50 درجة) كوظيفة مطبوعة طبقات. تُظهر الصورة الداخلية حبر الكاثود المائعي القائم على مادة PVDF على الركيزة على شكل منحدر. أشرطة النطاق، 20 ملم. (F) صورة للكاثودات والأنودات السميكة غير المستوية والمطبوعة ثلاثية الأبعاد على ركيزة منحنية الشكل على شكل نصف الكرة الأرضية (نصف قطر الانحناء، 10 مم). شريط النطاق، 5 ملم. (G) القطب المطابق المطبوع ثلاثي الأبعاد (يسار) والقطب المستوي للتحكم المطبوع على فيلم PET (يمين) متكامل مع ركائز منحنية الشكل على شكل نصف الكرة الأرضية (نصف قطر الانحناء، 3 مم). أشرطة النطاق، 2 مم. (H) FEA للقطب المطابق المطبوع ثلاثي الأبعاد (يسار) والقطب المستوي للتحكم المطبوع على فيلم PET (يمين) متكامل مع ركائز منحنية الشكل على شكل نصف الكرة الأرضية (نصف قطر الانحناء، 3 مم). شريط النطاق، 2 مم.
تتكون أحبار الإلكترود من المواد النشطة (أي مساحيق α-MnO2 وZn)، والمواد المضافة الموصلة لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNT)، ومجلدات ألياف السليلوز النانوية (CNF)/رباعي ميثيل بيبيريدين-1-أوكسيل المؤكسدة الجذرية CNF (TOCN) مشتتة في مذيب جلايكول الإيثيلين. لعب رابط CNF/TOCN دورًا حيويًا في ضبط حالة التشتت والخصائص الريولوجية لأحبار الإلكترود. من المعروف أن ألياف CNFs تشكل روابط هيدروجينية بين الجزيئات بسبب مجموعاتها الوظيفية الهيدروكسيلية (الشكل S2، أعلى) (36)، وبالتالي تؤثر على الخواص الريولوجية لأحبار الأقطاب الكهربائية. وفي الوقت نفسه، يمكن لـ TOCNs الموجودة في تعليق SWCNT / TOCN أن تقوم بلف SWCNTs بشكل مطابق عبر الجذب بين الجزيئات وغير التساهمي الكاره للماء (37-39). أظهر أطياف رامان لتعليق SWCNT / TOCN [= 2/1 (ث / ث)] (الشكل S3) تحولًا لأعلى في النطاق D (من 1343 إلى 1355 سم −1) وفي النطاق G (من 1580 إلى 1593 سم−1) مقارنةً بتلك الموجودة في SWCNT البكر، مما يؤكد التفاعل بين الجزيئات بين SWCNTs وTOCNs. أظهرت SWCNTs الناتجة والمغلفة بـ TOCN تنافرًا إلكتروستاتيكيًا بين الجسيمات تم تمكينه بواسطة مجموعات الكربوكسيل الأنيونية في TOCN (الشكل S2، أسفل).
للتحقيق في التأثير المفيد لرابط TOCN على حالة تشتت أحبار الإلكترود، تم تحضير حبر الكاثود (المحتوى الصلب = 0.1٪ بالوزن، رابط CNF/TOCN المذاب في جلايكول الإيثيلين) ومقارنته بحبر كاثود التحكم [فلوريد البولي فينيلدين ( PVDF)، وهو رابط يستخدم على نطاق واسع لكاثودات ZIB] المذاب في N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP) كتجربة تكميلية. ظلت حالة تشتت حبر الكاثود المعتمد على CNF/TOCN دون تغيير تقريبًا بعد تخزينها لمدة 4 أسابيع، في حين لوحظ ترسيب شديد في حبر الكاثود المعتمد على PVDF (الشكل S4). تم تأكيد هذه النتيجة من خلال قياس قيم زيتا المحتملة للأحبار. أظهر الحبر المعتمد على CNF / TOCN قيمة زيتا محتملة أكثر سلبية تبلغ .639.6 مللي فولت مقارنةً بـ .410.4 مللي فولت من الحبر المعتمد على PVDF (الشكل S5). من المعروف أن قيمة زيتا المحتملة التي تزيد عن ± 30 مللي فولت تعكس حالة التشتت المستقرة التي يتم تمكينها بواسطة التنافر الكهروستاتيكي بين الجسيمات (40، 41).
يعد تنظيم لزوجة الأحبار أمرًا بالغ الأهمية لضمان طباعة ثلاثية الأبعاد موثوقة على الأسطح المنحنية التعسفية (42، 43). تم التحكم في الخصائص الريولوجية لأحبار مكونات البطارية على أساس نظرية Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (44)، مع التركيز على التفاعلات الجذابة والتنافرية بين الجسيمات. أظهر حبر الكاثود (الذي يحتوي على محتوى صلب بنسبة 20٪ بالوزن) مع رابط CNF/TOCN لزوجة أعلى وسلوك ترقق قوي مقارنةً بحبر التحكم مع رابط PVDF (الشكل 1B والشكل S6). علاوة على ذلك، أظهر حبر الكاثود مع رابط CNF/TOCN تقاطعًا بين وحدات المرونة (G ′) والخسارة (G ″)، والتي تمثل سلوكًا متغير الانسيابية (45، 46)، عند إجهاد إنتاجية أعلى (420 باسكال) مقارنة إلى حبر التحكم باستخدام رابط PVDF (96 Pa) (الشكل 1C). تشير هذه النتيجة إلى الاستقرار الهيكلي المعزز لحبر الكاثود ضد تشوه الجاذبية أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوية. تم إجراء اختبارات الانسيابية ثلاثية الفواصل (3ITTs) للحبر الكاثود، والتي تراقب التغير في اللزوجة عن طريق زيادة معدل القص، لفحص الاسترداد الهيكلي للحبر الذي يمكن أن يؤثر على الاحتفاظ بشكله بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد. أظهر حبر الكاثود مع رابط CNF/TOCN استردادًا فوريًا للزوجة (~ 100٪) مقارنةً بحبر التحكم مع رابط PVDF (الشكل 1D) (~ 80٪)، مما يشير إلى تفاعلات قوية بين الجسيمات. بالإضافة إلى ذلك، أظهر حبر أنود الزنك مع رابط CNF/TOCN ترقق القص النموذجي (الشكل S7A)، واللزوجة المرنة المتغيرة الانسيابية (الشكل S7B)، واستعادة اللزوجة الفورية (الشكل S7C) مقارنة بحبر أنود التحكم مع رابط PVDF. .
على أساس هذا الفهم للسلوك الريولوجي لأحبار الأقطاب الكهربائية، تم دراسة قابليتها للطباعة ثلاثية الأبعاد على الأسطح غير المستوية. تمت طباعة حبر الكاثود على ركيزة منحدر ثلاثي الأبعاد بمنحدر حاد (50 درجة) (فيلم S1). أظهر الاحتفاظ بعرض الخط (w / w0) والاحتفاظ بالسمك (t / t0) للكاثودات المطبوعة ثلاثية الأبعاد طبقة بطبقة أنماطًا موحدة دون انقطاع هيكلي وانتشار جانبي في مواضع مختلفة من الركيزة المنحدرة (الشكل 1E والتين ). S8 و S9). وبالمقارنة، ينتشر حبر الكاثود المعتمد على PVDF فورًا عند الترسيب. علاوة على ذلك، تم تصنيع كاثودات سميكة مطبوعة ثلاثية الأبعاد ذات تكوين متداخل بنجاح على ركيزة مسطحة (الشكلان S10 وS11) وحتى على ركيزة منحنية الشكل على شكل نصف الكرة الأرضية مع نصف قطر انحناء يبلغ 10 مم (الشكل 1F). تم تأكيد ثبات الأبعاد لهذه الأقطاب الكهربائية السميكة المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام رابط CNF/TOCN من خلال تحليل هيكلها المقطعي. تم تفريق رابط CNF/TOCN والمواد المضافة الموصلة SWCNT بشكل موحد في الأقطاب الكهربائية (الشكلان S12 وS13). سمح هيكلها الليفي النانوي بالاستقرار الهيكلي من خلال اختلاطها المادي مع المواد النشطة للإلكترود، وبالتالي بناء الأقطاب الكهربائية السميكة (حتى 240 ميكرومتر لسبع طبقات) والأقطاب الكهربائية ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية (الشكل S14). لاحظنا أن الكاثودات السميكة ساهمت بشكل مفيد في زيادة السعة المساحية لـ ZIMB.
بالإضافة إلى هذه الفوائد الهيكلية، تعمل شبكات CNF/TOCN المحبة للماء وشبكات SWCNT شديدة التوصيل للكهرباء كقنوات للوصول إلى الإلكتروليت ونقل الإلكترون، على التوالي، وهو ما يكون أكثر وضوحًا في أقطاب التحميل السميكة وعالية الكتلة. من المعروف أن الأقطاب الكهربائية ذات التحميل الشامل العالي تكون عرضة لحركية الأكسدة والاختزال البطيئة بسبب المسارات الكهربائية والأيونية المطولة في بنيتها، مما يؤدي إلى تدهور غير مرغوب فيه في القدرة (47). تم إجراء قياسات زاوية التلامس للكهارل المائي (2 M ZnSO4/0.2 M MnSO4) على كل من الكاثودات المستندة إلى CNF/TOCN وPVDF. وقد لوحظت زاوية اتصال أقل للكاثود القائم على CNF/TOCN (35.5 درجة) مقارنة بنظيره القائم على PVDF (136.5 درجة)، مما يشير إلى تقارب أعلى تجاه المنحل بالكهرباء المائي (الشكل S15). بالإضافة إلى ذلك، أظهر كاثود MnO2 القائم على CNF/TOCN موصلية كهربائية أعلى (18.4 S cm−1) على عكس الكاثود القائم على PVDF (0.11 S cm−1) (الشكل S16)، مما يؤكد الدور المفيد للمركب المتجانس. الشبكات الإلكترونية الموزعة SWCNT.
تمت دراسة توافق شكل هذه الأقطاب الكهربائية بشكل أكبر من خلال ملاحظة تكاملها على الركائز المنحنية على شكل نصف الكرة الأرضية مع أنصاف أقطار انحناء مختلفة (الشكل S17). تم تصنيع عينات التحكم عن طريق طباعة مواد وأبعاد القطب المتطابقة على فيلم مستو من البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) متبوعًا بالضغط على ركائز منحنية الأضلاع. تم تقييم نسبة منطقة التلامس (المحددة على أنها نسبة منطقة التلامس بين القطب المطبوع والركيزة الأساسية إلى المساحة الإجمالية للقطب المطبوع) (الشكل S18). أظهرت الأقطاب الكهربائية غير المستوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد على الركائز المنحنية اتصالًا شاملاً (تصل إلى نسبة منطقة تلامس تبلغ ~ 100٪) حتى في نصف قطر انحناء أصغر (3 مم) ، في حين أظهرت أقطاب التحكم فجوات كبيرة وغير منتظمة مع الركائز الأساسية (الشكل 1 أ). 1G). تم التحقق من هذه المطابقة الفائقة للأقطاب الكهربائية المطبوعة ثلاثية الأبعاد من خلال التحديد الكمي لضغط التشوه المنخفض والتوزيع الموحد باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) (الشكل 1H). أظهرت هذه النتائج أن أحبار الأقطاب الكهربائية المستندة إلى CNF/TOCN، جنبًا إلى جنب مع الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوية، مكنت من المطابقة الهندسية مع الركائز المنحنية الشكل بشكل تعسفي.
بالإضافة إلى الأقطاب الكهربائية الموصوفة أعلاه، يجب دمج مكونات البطارية الأخرى، بما في ذلك الأغشية الفاصلة والإلكتروليتات ومواد التعبئة والتغليف، بشكل متوافق مع الجمجمة ذات الشكل المعقد. يتكون حبر إلكتروليت مركب شبه صلب مطبوع ثلاثي الأبعاد من إلكتروليت مائي (2 M ZnSO4 + 0.2 M MnSO4)، ومونومرات الأكريلاميد القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية كهيكل عظمي ميكانيكي، وجسيمات نانوية SiO2 (متوسط حجم الجسيمات ~ 40 نانومتر) كعامل ضبط الريولوجيا (الشكل S19). تم ترسيخ المنحل بالكهرباء المركب الهلامي المطبوع بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية، مما مكنه من العمل كفاصل ووسط أيوني (الموصلية الأيونية: 6.1 × 10−3) بين الكاثود والأنود في ZIMB. تم التحقق من الارتباط المتقاطع للأشعة فوق البنفسجية للأكريلاميد من خلال ملاحظة التغير في قمم الأشعة تحت الحمراء (FTIR) المميزة لتحويل فورييه المخصصة لروابط الأكريليك C????C (1620 إلى 1640 سم −1) (الشكل S20). يتكون حبر التغليف من راتينج تجاري قابل للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية (48، 49) وجسيمات نانوية SiO2. أظهر الإلكتروليت المركب الهلامي وحبر التغليف خصائص لزجة مرنة مضبوطة جيدًا ومناسبة للطباعة ثلاثية الأبعاد (الشكل S21) (50).
ZIMBs المخصصة للجمجمة وخصائصها الكهروكيميائية
تمت طباعة أحبار مكونات البطارية المعدة أعلاه بشكل تسلسلي أعلى نموذج الجمجمة ثلاثي الأبعاد لتصنيع ZIMB شبه الصلب مع مزامنة هيكله ليناسب الشكل الهندسي لنموذج الجمجمة هذا (الشكل 2A، الشكل S22، والفيلم S2) ). يتكون ZIMB من ثلاث وحدات من الخلايا متصلة على التوالي (تصل إلى جهد 5.4 فولت) والتي كانت ضرورية لتشغيل جميع مجسات التسجيل في أعماق الدماغ (الشكل S23). والجدير بالذكر أن هذا ZIMB أظهر الحد الأدنى من المساحة الميتة، مما أتاح تعظيم الطاقة المخزنة فيه في منطقة محصورة (أصغر من 7.7 ملم في 7.9 ملم) من الجمجمة الأساسية.











الشكل 2. ZIMBs المخصصة للجمجمة وخصائصها الكهروكيميائية.
(أ) صورة فوتوغرافية لـ ZIMB المخصصة للجمجمة والتي تم تصنيعها عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوية المستندة إلى DIW. شريط النطاق، 5 ملم. (ب) صور فوتوغرافية (عرض علوي) لـ ZIMB المخصص للجمجمة والتحكم في ZIMB من نوع الحقيبة (مدرج) مدمج مع جمجمة فأر حقيقية. شريط مقياس أسود، 5 مم. شريط مقياس أبيض، 10 ملم. (C) صور فوتوغرافية (منظر جانبي) لـ ZIMB المخصص للجمجمة والتحكم في ZIMB من نوع الحقيبة (مدرج) مدمج مع جمجمة فأر حقيقية. شريط مقياس أسود، 5 مم. شريط مقياس أبيض، 10 ملم. (د) مقارنة الوزن بين ZIMB المخصص للجمجمة والتحكم في الحقيبة من نوع ZIMB من حيث مكونات البطارية. يُظهر الشكل الداخلي (أسفل) الرسم البياني المكبر لوزن الأقطاب الكهربائية. تُظهر الأشكال الداخلية (أعلى) صورًا فوتوغرافية تتحقق من اختلاف الوزن بين ZIMB المخصص للجمجمة وZIMB من نوع كيس التحكم. شريط النطاق، 5 ملم. ( E ) منحنيات السيرة الذاتية لـ ZIMBs المخصصة للجمجمة في الهواء ومحلول PBS بمعدل مسح قدره 0.2 mV s−1 ومدى الجهد من 3.0 إلى 5.4 V. (F) ملفات تعريف الشحن / التفريغ لـ ZIMBs المخصصة للجمجمة عند كثافة تيار الشحن/التفريغ تبلغ 0.1 A g−1 كدالة لعدد الخلايا. (G) السعة المساحية لـ ZIMB والتحميل الشامل المساحي للكاثودات كدالة لعدد الطبقة المطبوعة. تُظهِر الأشكال الداخلية صور SEM المقطعية للكاثودات المطبوعة ذات الطبقة الواحدة والأربعة والقطع. شريط النطاق، 100 ميكرومتر. (H) ملفات تعريف الشحن/التفريغ الخاصة بـ ZIMB المخصصة للجمجمة كدالة للتحميل الشامل المساحي للكاثودات لمدى جهد يتراوح من 3.0 إلى 5.4 فولت وكثافة تيار الشحن/التفريغ تبلغ 0.1 A g−1. (I) أداء ركوب الدراجات في ZIMBs المخصصة للجمجمة كدالة للتحميل الشامل المساحي للكاثودات بكثافة تيار شحن / تفريغ تبلغ 0.1 A g−1.
تم زرع ZIMB الناتج على سطح جمجمة فأر حي وأظهر وحدته السلسة (الشكل 2، B وC)، على عكس البطارية التقليدية من نوع الحقيبة ذات الشكل المستطيل والمكونات الصلبة (الشكل S24). بالنظر إلى أن وزن البطارية التقليدية يشكل عادةً أكثر من 20% من إجمالي وزن الجهاز (17، 51، 52)، فإن تقليل وزن البطارية يمكن أن يكون المفتاح لتخفيف الضغط الجسدي على الفأر الحي من خلال مساعدة سلوكياته المتحركة بشكل طبيعي للإلكترونيات المزروعة في الجمجمة. على وجه الخصوص، تثير السلوكيات الطبيعية أنماط طاقة طيفية قشرية محددة مقارنة بالظروف المقيدة، مما يعزز معرفتنا بتقلب السلوك العصبي (16). يوضح الشكل 2D أن ZIMB المطبوع لدينا كان أخف وزنًا بشكل ملحوظ مقارنة بـ ZIMB من نوع الحقيبة، في حين لم يكن هناك فرق ملحوظ في وزن المواد النشطة في القطب. على سبيل المثال، تم تقليل وزن ZIMB المطبوع بشكل كبير عن طريق استبدال مواد التجميع الحالية من رقائق المعادن الثقيلة إلى Au الرقيق (السمك: 1 ميكرومتر). تسلط هذه النتائج الضوء على الجدوى العملية لـ ZIMB الخاص بنا كمصدر طاقة خفيف الوزن لأنظمة التحليل اللاسلكية العميقة للدماغ والتي يمكن تخصيصها هندسيًا لتتناسب مع شكل جمجمة الشخص.
تم التحقيق في الخواص الكهروكيميائية لـ ZIMB المخصص للجمجمة. لاستكشاف جدواها العملي للإلكترونيات الحيوية المزروعة، تم غمر هذه البطارية المطبوعة في محلول ملحي بالفوسفات (PBS) للتوصيف الكهروكيميائي. لم يكن هناك أي تغيير في وزن ZIMB بعد الغمر في محلول PBS لمدة 3 أسابيع (الشكل S25). علاوة على ذلك، كشف تحليل قياس الجهد الدوري (CV) في محلول PBS عن جهود الأكسدة والاختزال المميزة الطبيعية المخصصة لإدخال واستخراج Zn2+/H+ من كاثودات MnO2 في هذا المحلول (الشكل 2E). تم فحص ملفات تعريف الشحن / التفريغ الخاصة بـ ZIMB في التكوين المتسلسل كدالة لرقم الخلية (الشكل 2F). زادت جهود قطع الشحن للخلايا الناتجة من 1.8 فولت (وحدة الخلية) إلى 5.4 فولت (ثلاث خلايا) مع زيادة عدد الخلايا مع الحفاظ على السعة النوعية للمواد النشطة MnO2. والجدير بالذكر أن ZIMB الذي يحتوي على ثلاث خلايا متصلة في السلسلة أظهر سلوكًا طبيعيًا للشحن / التفريغ وقدرات محددة أعلى بمعدلات تيار مختلفة مقارنة بخلايا التحكم ذات الأقطاب الكهربائية المعتمدة على PVDF (الشكل S26). يتحقق هذا التحسن من حركية الأكسدة والاختزال الميسرة (لا سيما الإقحام/إلغاء التداخل الموثوق لأيونات Zn2+) للمواد النشطة للكاثود MnO2 التي تتيحها شبكات SWCNT وCNF/TOCN الليفية المتشابكة. أظهر ZIMB أيضًا احتفاظ طويل بالقدرة (70٪ بعد 500 دورة) بكثافة تيار تبلغ 1.0 A g−1 (الشكل S27) في نطاق جهد التشغيل من 3.0 إلى 5.4 فولت. الزيادة المؤقتة في قدرة التفريغ خلال الدورات الأولية ويعزى ذلك إلى تنشيط المواد النشطة MnO2، والتي لوحظت بشكل شائع في خلايا Zn-MnO2 النموذجية (53-55). يمكن تعديل السعة المساحية لـ ZIMB عن طريق الطباعة المتسلسلة للأقطاب الكهربائية طبقة تلو الأخرى. نلاحظ أن السعة المساحية الأعلى مفضلة لتمكين وقت تشغيل أطول لأنظمة التحليل العميق للدماغ اللاسلكية. أظهر التحميل الشامل المساحي والقدرة المساحية المقابلة للقطب MnO2 زيادة متناسبة مع عدد طبقات الإلكترود المطبوعة، حيث وصلت إلى 12.8 مجم سم و 2.0 مللي أمبير سم عند القطب المطبوع المكون من سبع طبقات، على التوالي ( الشكل 2ز). بفضل هذه السعة المساحية العالية لـ ZIMB، وصل وقت تشغيل وحدة Wi-Fi التجارية إلى حوالي دقيقتين دون إعادة شحن ZIMB. على نطاق واسع من الأحمال الجماعية المساحية (1.0 × 12.8 مجم سم ) ، أظهرت الأقطاب الكهربائية المطبوعة سلوك الشحن / التفريغ الطبيعي (الشكل 2H) وأداء ركوب الدراجات المستقر (الشكل 2I).
طباعة المجسات العصبية الناعمة باستخدام المعادن السائلة
ولتحليل الدماغ العميق، قمنا بتصنيع مجسات عصبية ناعمة تعتمد على المعدن السائل من خلال طباعة عالية الدقة للمعادن السائلة. يوضح الشكل 3A نظام الطباعة المباشرة لدينا. يتكون هذا النظام من فوهة متصلة بخزان حبر، وجهاز تحكم بالضغط الهوائي، ومرحلة سداسية المحاور مع حركات قابلة للبرمجة في المحور x أو y أو z ومحوري إمالة في المستوى xy (29). للطباعة المباشرة للمعادن السائلة، قمنا بإعداد نوعين من الفوهات: (1) الشعيرات الدموية الزجاجية بأقطار داخلية تتراوح من 5 إلى 60 ميكرومتر و(2) إبر المحاقن التجارية ذات أطراف معدنية بأقطار داخلية 100 و120 و140 ميكرومتر . بعد ذلك، تم تركيب فوهة على خزان حبر من نوع المحقنة يحتوي على EGaIn (كحبر)، وتم وضع الركيزة على مرحلة المحاور الستة. بالنسبة للفوهة التي يبلغ قطرها الداخلي 5 ميكرومتر، تم التحكم في المسافة بين الفوهة والركيزة لتكون ~ 2 ميكرومتر، وتم تطبيق ضغط قدره 55 رطل لكل بوصة مربعة لاستخراج حبر EGaIn من خلال فوهة. بعد ذلك، تم إجراء الطباعة المباشرة لـ EGaIn من خلال التحكم في تشغيل/إيقاف هذا الضغط الهوائي وحركات المسرح. على سبيل المثال، يُظهر الشكل 3B صورة مجهرية ضوئية وصورة مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) لخطوط EGaIn المطبوعة (عرض الخط: 5 ميكرومتر) بأطوال قابلة للتكيف. تشير هذه الأنماط المطبوعة إلى تصنيع مجسات عصبية ناعمة بأشكال وأطوال مختلفة. يعرض الشكل 3C عرض خط طباعة EGaIn فيما يتعلق بالقطر الداخلي للفوهة بسرعة طباعة ثابتة تبلغ 0.1 مم s−1. زاد عرض الخط بشكل خطي تقريبًا مع القطر الداخلي للفوهة. لتصنيع مجسات عصبية ناعمة، تمت طباعة خطوط EGaIn بعرض 5 ميكرومتر مباشرة على فيلم باريلين-C (سمك: 1 ميكرومتر). بعد ذلك، قمنا بإيداع طبقة تغليف من الباريلين-C بسمك 1.5 ميكرومتر في فراغ على خطوط EGaIn المطبوعة ثم فتحنا بشكل انتقائي مناطق طرف أقطاب EGaIn لتوصيل الخلايا العصبية. تم تشكيل العناقيد النانوية البلاتينية، المشار إليها باسم البلاتين الأسود (PtB)، عن طريق الترسيب الكهربي في المنطقة المفتوحة لأقطاب EGaIn هذه (الشكل 3 وD وE). يوضح الشكل S28 الصورة المجهرية الضوئية وSEM للجزء العلوي المُصنع من المجسات العصبية الناعمة. يتم توضيح عملية التصنيع الشاملة بشكل تخطيطي في الشكل. S29. أدى ترسب PtB إلى تحسين جودة الإشارة عن طريق خفض مقاومة الأقطاب الكهربائية، حيث زادت الهياكل النانوية PtB من مساحة السطح للتفاعل الكهروكيميائي. ويبين الشكل 3F التحليل الطيفي للمقاومة للمعدن السائل المطلي بـ PtB (PtB/EGaIn) وتحقيقات EGaIn البكر (بدون PtB). كانت الممانعات (عند 1 كيلو هرتز) لتحقيقات PtB/EGaIn وتحقيقات EGaIn 387.5 و1141.5 كيلو أوم، على التوالي، مما يمثل مقاومة أقل بثلاث مرات في PtB/EGaIn. علاوة على ذلك، تم قياس المعاوقة (عند 1 كيلو هرتز) لمسبارنا لمدة 7 أيام عن طريق الغمر في محلول PBS (75 درجة مئوية لمدة 7 أيام؛ يوم يعادل شهرًا في البيئة العادية). كما هو موضح في الشكل. S30، أظهرت النتيجة تغيرًا طفيفًا في المعاوقة، مما يوضح استقرارًا طويل المدى لمسبارنا. لمقارنة المعاوقة مع المواد الأخرى المعروفة المستخدمة في أقطاب التوصيل العصبية التقليدية، تم رسم قيمة المعاوقة الطبيعية فيما يتعلق بمنطقة التلامس المفتوحة للأنسجة العصبية، والتي يشار إليها باسم المعاوقة الخاصة بالمنطقة (ASI)، في الشكل 3G (56). . وفقًا للنتائج، كان ASI لـ PtB/EGaIn 15.2 أوم مم2، وكانت هذه القيمة حوالي ثلث قيمة البلاتين النقي. بالإضافة إلى ذلك، كان ASI الخاص بـ EGaIn، 44.8 أوم مم2، مشابهًا للبلاتين، الذي تم استخدامه على نطاق واسع في أقطاب التسجيل العصبية بسبب ممانعته المنخفضة مع جودة الإشارة العالية.

الشكل 3. طباعة المجسات العصبية الناعمة باستخدام المعادن السائلة.
(أ) رسم تخطيطي لنظام طباعة المعدن السائل. (ب) صورة مجهرية بصرية وSEM لأنماط معدنية سائلة مطبوعة بأشكال وأطوال مختلفة. أشرطة النطاق، 200 ميكرومتر (أعلى) و 50 ميكرومتر (أسفل). (C) قطعة من عروض خطوط المعادن السائلة المطبوعة وفقًا للأقطار الداخلية للفوهات بسرعة طباعة ثابتة تبلغ 0.1 مم ث −1. تشير كل نقطة بيانات إلى متوسط ​​خمسة قياسات، وتمثل أشرطة الخطأ SD. (د) SEM ملون لمسبار عصبي ناعم ملفق. تتوافق الألوان الزرقاء الداكنة والأصفر الداكن مع الباريلين-C وEGaIn المطلي بـ PtB، على التوالي. شريط النطاق، 10 ميكرون. (E) SEM للعرض المكبر لـ PtB المشار إليه بواسطة المربع الأبيض المنقط في الشكل ثلاثي الأبعاد. شريط النطاق، 1 ميكرومتر. (F) التحليل الطيفي للمقاومة لتحقيقات EGaIn البكر والمغلفة بـ PtB. (G) مقارنة المعاوقة الخاصة بمنطقة معينة من السيليكون والذهب ونيتريد التيتانيوم والبلاتين وEGaIn البكر وPtB/EGaIn. تمثل أشرطة الخطأ SD لخمسة قياسات. (ح) مقارنة المعامل المرنة للسيليكون والبلاتين والذهب وPEDOT وEGaIn البكر وPtB/EGaIn. (I) التغيير في الوقت الحقيقي في مقاومة PtB/EGaIn أثناء قطع الاتصال والاستعادة عن طريق الضغط والإفراج، على التوالي. (J) التغير النسبي في مقاومة PtB/EGaIn أثناء قطع الاتصال والاستعادة لمدة 200 مرة. (ك) رسم تخطيطي لطريقة حقن الحقنة للمسبار العصبي الناعم من خلال موازنة معدل التدفق وسرعة سحب الفوهة باستخدام نظام الطباعة لدينا. (L) العلاقة بين معدل تدفق برنامج تلفزيوني مع مسبار وسرعة سحب الفوهات ذات القطر الداخلي 100 ميكرومتر. تشير كل نقطة بيانات إلى متوسط ​​خمسة قياسات، وتمثل أشرطة الخطأ SD.
طباعة المجسات العصبية الناعمة باستخدام المعادن السائلة
ولتحليل الدماغ العميق، قمنا بتصنيع مجسات عصبية ناعمة تعتمد على المعدن السائل من خلال طباعة عالية الدقة للمعادن السائلة. يوضح الشكل 3A نظام الطباعة المباشرة لدينا. يتكون هذا النظام من فوهة متصلة بخزان حبر، وجهاز تحكم بالضغط الهوائي، ومرحلة سداسية المحاور مع حركات قابلة للبرمجة في المحور x أو y أو z ومحوري إمالة في المستوى xy (29). للطباعة المباشرة للمعادن السائلة، قمنا بإعداد نوعين من الفوهات: (1) الشعيرات الدموية الزجاجية بأقطار داخلية تتراوح من 5 إلى 60 ميكرومتر و(2) إبر المحاقن التجارية ذات أطراف معدنية بأقطار داخلية 100 و120 و140 ميكرومتر . بعد ذلك، تم تركيب فوهة على خزان حبر من نوع المحقنة يحتوي على EGaIn (كحبر)، وتم وضع الركيزة على مرحلة المحاور الستة. بالنسبة للفوهة التي يبلغ قطرها الداخلي 5 ميكرومتر، تم التحكم في المسافة بين الفوهة والركيزة لتكون ~ 2 ميكرومتر، وتم تطبيق ضغط قدره 55 رطل لكل بوصة مربعة لاستخراج حبر EGaIn من خلال فوهة. بعد ذلك، تم إجراء الطباعة المباشرة لـ EGaIn من خلال التحكم في تشغيل/إيقاف هذا الضغط الهوائي وحركات المسرح. على سبيل المثال، يُظهر الشكل 3B صورة مجهرية ضوئية وصورة مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) لخطوط EGaIn المطبوعة (عرض الخط: 5 ميكرومتر) بأطوال قابلة للتكيف. تشير هذه الأنماط المطبوعة إلى تصنيع مجسات عصبية ناعمة بأشكال وأطوال مختلفة. يعرض الشكل 3C عرض خط طباعة EGaIn فيما يتعلق بالقطر الداخلي للفوهة بسرعة طباعة ثابتة تبلغ 0.1 مم s−1. زاد عرض الخط بشكل خطي تقريبًا مع القطر الداخلي للفوهة. لتصنيع مجسات عصبية ناعمة، تمت طباعة خطوط EGaIn بعرض 5 ميكرومتر مباشرة على فيلم باريلين-C (سمك: 1 ميكرومتر). بعد ذلك، قمنا بإيداع طبقة تغليف من الباريلين-C بسمك 1.5 ميكرومتر في فراغ على خطوط EGaIn المطبوعة ثم فتحنا بشكل انتقائي مناطق طرف أقطاب EGaIn لتوصيل الخلايا العصبية. تم تشكيل العناقيد النانوية البلاتينية، المشار إليها باسم البلاتين الأسود (PtB)، عن طريق الترسيب الكهربي في المنطقة المفتوحة لأقطاب EGaIn هذه (الشكل 3 وD وE). يوضح الشكل S28 الصورة المجهرية الضوئية وSEM للجزء العلوي المُصنع من المجسات العصبية الناعمة. يتم توضيح عملية التصنيع الشاملة بشكل تخطيطي في الشكل. S29. أدى ترسب PtB إلى تحسين جودة الإشارة عن طريق خفض مقاومة الأقطاب الكهربائية، حيث زادت الهياكل النانوية PtB من مساحة السطح للتفاعل الكهروكيميائي. ويبين الشكل 3F التحليل الطيفي للمقاومة للمعدن السائل المطلي بـ PtB (PtB/EGaIn) وتحقيقات EGaIn البكر (بدون PtB). كانت الممانعات (عند 1 كيلو هرتز) لتحقيقات PtB/EGaIn وتحقيقات EGaIn 387.5 و1141.5 كيلو أوم، على التوالي، مما يمثل مقاومة أقل بثلاث مرات في PtB/EGaIn. علاوة على ذلك، تم قياس المعاوقة (عند 1 كيلو هرتز) لمسبارنا لمدة 7 أيام عن طريق الغمر في محلول PBS (75 درجة مئوية لمدة 7 أيام؛ يوم يعادل شهرًا في البيئة العادية). كما هو موضح في الشكل. S30، أظهرت النتيجة تغيرًا طفيفًا في المعاوقة، مما يوضح استقرارًا طويل المدى لمسبارنا. لمقارنة المعاوقة مع المواد الأخرى المعروفة المستخدمة في أقطاب التوصيل العصبية التقليدية، تم رسم قيمة المعاوقة الطبيعية فيما يتعلق بمنطقة التلامس المفتوحة للأنسجة العصبية، والتي يشار إليها باسم المعاوقة الخاصة بالمنطقة (ASI)، في الشكل 3G (56). . وفقًا للنتائج، كان ASI لـ PtB/EGaIn 15.2 أوم مم2، وكانت هذه القيمة حوالي ثلث قيمة البلاتين النقي. بالإضافة إلى ذلك، كان ASI الخاص بـ EGaIn، 44.8 أوم مم2، مشابهًا للبلاتين، الذي تم استخدامه على نطاق واسع في أقطاب التسجيل العصبية بسبب ممانعته المنخفضة مع جودة الإشارة العالية.
التكامل في الجسم الحي لنظام تسجيل عصبي لاسلكي متكامل الطاقة على الجمجمة
في الجسم الحي، تم تشكيل التكامل بين نظام التسجيل العصبي اللاسلكي الخاص بنا مع الحالة الصلبة شبه الصلبة ZIMB على طول انحناء جمجمة الفأر الحي. هنا، مكنت الطباعة المباشرة لوصلات EGaIn على الجمجمة من دمج جميع مكونات الجهاز، بما في ذلك المجسات العصبية المزروعة، ووحدة Wi-Fi تجارية (JAGA Penny، Jinga-hi، الولايات المتحدة الأمريكية، الحجم: 1 × 3 سم)، وZIMB ، كنظام إلكتروني للجمجمة. يوضح الشكل 4A المخطط الكامل لنظام التسجيل العصبي المدمج بالطاقة القابل للطباعة والذي تم تشكيله على الجمجمة حيث تمت طباعة طبقة عازلة بوليمرية من الدرجة الطبية مسبقًا. تم توضيح الإجراء العام لهذا التكامل بشكل تخطيطي في الشكل. S32. أولاً، تم تخدير فأر (C57BL/6N، 12 أسبوعًا) داخل الصفاق بمزيج من 20 ميكرولتر من الزيلازين، و80 ميكرولتر من الكيتامين، و100 ميكرولتر من برنامج تلفزيوني. بعد ذلك، تم تثبيت الماوس على محول القوارض المكون من قضبان الأذن وسوار الفك (RWD Life Science، الولايات المتحدة الأمريكية) لتقليل الاهتزاز الناتج عن نبضات القلب والتنفس. ثانيًا، تمت طباعة طبقة تخميل شفافة من البوليمر الطبي (Loctite 4011، Henkel، Germany) على سطح الجمجمة لمنع التداخل بين الإشارات والتسرب الكهربائي عبر الجمجمة الرطبة ولضمان سلامة الدائرة فيما يتعلق أنسجة العظام القحفية. ثالثًا، تم زرع مجساتنا العصبية الناعمة بشكل مجسم في ثقوب مثقوبة مسبقًا في الجمجمة باستخدام طريقة حقن المحقنة، وتمت طباعة وصلات EGaIn على طول سطح الجمجمة لتشكيل الاتصال الكهربائي مع المجسات العصبية المزروعة (الشكل S33). على سبيل المثال، يُظهر الشكل 4B تكامل إجمالي 16 مسبارًا مزروعًا مع شريحة اتصال Wi-Fi عن طريق الطباعة المباشرة لوصلات EGaIn على جمجمة فأر حي بحد أدنى لعرض الخط يبلغ 5 ميكرومتر. أثناء هذه الطباعة، تم الحفاظ على المسافة بين طرف الفوهة وسطح الجمجمة لتكون 5 ميكرومتر من خلال التحكم في المحور z لمرحلة الطباعة، وتم تطبيق الضغط الهوائي الثابت البالغ 55 رطل لكل بوصة مربعة (فيلم S3). رابعًا، بعد تغطية الدوائر المطبوعة بأكملها باستخدام مادة لاصقة مطاطية من السيليكون من الدرجة الطبية (Kwik-Sil، World Precision Instruments، الولايات المتحدة الأمريكية)، تم دمج دائرة التسجيل العصبية اللاسلكية هذه لاحقًا مع مكون ZIMB المطبوع مسبقًا (الشكل 4C). يمكن أن يعمل جهاز ZIMB هذا كمصدر طاقة يتناسب بشكل مطابق مع سطح الجمجمة بسعة مساحة عالية، مما يتيح التشغيل المستمر لجهاز التسجيل العصبي اللاسلكي الخاص بنا بحجم مصغر يمكن وضعه داخل المساحة الضيقة لجمجمة الفأر. أخيرًا، تم ترسيب طبقة تغليف من الأسمنت العظمي المحمل بالمضادات الحيوية (Cemex RX، TECRES) على السطح بأكمله من أجل التثبيت السلس لنظامنا الإلكتروني في الجمجمة، متبوعًا بخياطة فروة الرأس. يظهر الشكل التخطيطي لهذا النظام بأكمله. S34.


الشكل 4. التكامل في الجسم الحي لنظام تسجيل عصبي لاسلكي متكامل الطاقة على الجمجمة.
(أ) رسم تخطيطي للتخطيطات الكاملة لنظام التسجيل العصبي اللاسلكي المدمج في الطاقة والقابل للطباعة على الجمجمة. (B وC) صورة مجهرية بصرية للواجهة العصبية القائمة على المعدن السائل المطبقة على جمجمة الفأر (B) وتكامل ZIMB على الواجهة العصبية (C). أشرطة النطاق، 1 ملم. (د) مسارات تمثيلية للفئران العادية والفئران المزروعة بنظام الجمجمة في ساحة مفتوحة لمدة 5 دقائق. أشرطة النطاق، 3 سم (عمودي) و 3 سم (أفقي). (E) مقارنة المسافة الإجمالية بين الفئران العادية (ن = 3) والفئران المزروعة بنظام الجمجمة (ن = 3). أشرطة الخطأ تمثل SD. تم إجراء التحليلات الإحصائية عن طريق اختبار t غير المقيَّد ثنائي الذيل، P = 0.4474 (ns، غير مهم). (F) مقارنة الوقت الذي يقضيه في المنطقة الوسطى بين الفئران العادية (ن = 3) ونظام الجمجمة المزروع (ن = 3). أشرطة الخطأ تمثل SD. تم إجراء التحليلات الإحصائية عن طريق اختبار t ثنائي الذيل، P = 0.4226. (G) صور الأشعة تحت الحمراء للماوس المزروع بنظام الجمجمة أثناء شحن وتفريغ ZIMB. (ح) رسم تخطيطي لإعداد اختبار الحرارة. (I) الاختلافات في درجات الحرارة في فروة الرأس (يسار) والظهر (يمين) في الفئران المزروعة بنظام الجمجمة أثناء حالات الشحن والتفريغ. تمثل أشرطة الخطأ SD مع n = 3 الفئران. تم إجراء التحليلات الإحصائية بواسطة اختبار t ثنائي الذيل، P = 0.0418 (يسار) وP = 0.166 (يمين). * P <0.05 اعتبرت ذات أهمية.
أدت طباعة هذا النظام المتكامل على الجمجمة إلى إلغاء الحاجة إلى تكوينات ضخمة للبطاريات، مما يسمح بالحركة الحرة والطبيعية للموضوعات. يوضح الشكل 4D المسارات التمثيلية للماوس العادي والماوس المزروع بنظام الجمجمة أثناء اختبار المجال المفتوح. قبل هذا الاختبار، تم إيواء الفئران عند درجة حرارة 23 درجة مئوية ورطوبة 50٪، مع دورة ضوء مدتها 12 ساعة / دورة مظلمة مدتها 12 ساعة لمدة 7 أيام. تم تسجيل كل نشاط للماوس لمدة 5 دقائق في ساحة مفتوحة (فيلم S4). بعد ذلك، قمنا بتحليل مسافة سفرهم والمدة التي قضوها في المنطقة المركزية باستخدام برنامج ANY-maze (الإصدار 4.3؛ Stoelting Co.، Wood Dale، IL). (يتم توضيح ساحة المجال المفتوح والمنطقة المركزية في الشكل S35.) وتمت مقارنة مسافة سفرهم خلال نفس المدة كمعيار للسلوكيات الطبيعية في الشكل 4E، وأظهرت النتائج اختلافًا ضئيلًا بين مسافة التحكم. (أي طبيعي) والمجموعات التجريبية (أي نظام الجمجمة المزروع). بالإضافة إلى ذلك، تم قياس الوقت الذي يقضيه في المنطقة المركزية كمعيار للسلوك المرتبط بالقلق، مع وجود وقت أطول يشير إلى مستوى أقل من القلق (61). كما هو مبين في الشكل 4F، فإن الوقت الذي يقضيه نظام الجمجمة في الفئران المزروعة في المنطقة الوسطى لم يكن مختلفًا بشكل ملحوظ عن حالة الفئران العادية، حيث كان أقصر بـ 4 ثوانٍ فقط في المتوسط خلال اختبار 5 دقائق. أشارت هذه النتائج إلى أن نظام الجمجمة الإلكتروني الخاص بنا (حيث تم دمج جميع الأشكال المطبوعة للبطارية والمسابير العصبية والوصلات البينية مع دوائر Wi-Fi) لم يؤدي إلى تدهور السلوك الطبيعي للفئران.
تشتمل مصادر الطاقة التقليدية، مثل بطاريات Li-ion، عادةً على إلكتروليتات عضوية سائلة قابلة للاشتعال، مما يمثل خطرًا كبيرًا على التطبيقات القابلة للارتداء والتطبيقات الطبية الحيوية (62). في المقابل، لم يكشف تنفيذ إلكترونيات الجمجمة المدمجة بالطاقة القابلة للطباعة عن أي آثار ضارة ملحوظة ولا توليد حرارة مفاجئ بسبب إلكتروليتات الحالة الصلبة المائية في ZIMB. تم قياس درجة حرارة فروة الرأس والجزء الخلفي من الفأرة المزروعة بنظام الجمجمة الإلكتروني الخاص بنا أثناء شحن وتفريغ ZIMB، كما هو مبين في الشكل 4G. تم إجراء قياسات الشحن / التفريغ الجلفانية لـ ZIMB باستخدام منظم الجهد / الجلفانوستات (VMP-300، Bio-Logic)، وتمت مراقبة توليد الحرارة لنظام الجمجمة الإلكتروني المزروع في الماوس المخدر باستخدام كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء (IR) ( T650sc، أنظمة FLIR)، كما هو موضح في الشكل 4H والفيلم S5. أثناء شحن وتفريغ نظامنا، تم الحفاظ على درجة حرارة فروة رأس الفأر عند متوسط 28.8 درجة و28.4 درجة مئوية على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تم أيضًا الحفاظ على درجة الحرارة على الجزء الخلفي من الفأرة عند متوسط 29.1 درجة و29.0 درجة مئوية في حالات الشحن والتفريغ، على التوالي (الشكل 4I). عادة ما يتم قياس درجة حرارة فروة الرأس للفئران الطبيعية تحت التخدير لتكون أقل بحوالي 1 درجة مئوية من درجة حرارة الظهر في التصوير بالأشعة تحت الحمراء (63، 64). ولذلك، وبالنظر إلى متوسط درجة حرارة الجسم للفأر المخدر (29.2 درجة مئوية)، لم يكن هناك توليد حرارة ملحوظ أثناء تشغيل نظامنا المتكامل ZIMB، مما يشير إلى إمكاناته الملحوظة للاستخدام في تطبيقات الإلكترونيات الحيوية.
التسجيل العصبي اللاسلكي
لإثبات القدرة على دمج تكوينات معقدة من المجسات العصبية داخل نظام إلكتروني واحد، قمنا بزرع مجسات عصبية متعددة عبر مناطق واسعة من الدماغ، وتم دمج جميع المجسات لاحقًا في نظام التسجيل العصبي اللاسلكي المدمج بالطاقة باستخدام طباعة EGaIn المترابطة مباشرة على الجمجمة من الفأر الحي. يعد التنسيب المعقد والواسع النطاق للمسابير العصبية المتعددة أمرًا ضروريًا للدراسة الإقليمية لمناطق الدماغ المتعددة للكشف عن الشبكات العصبية الديناميكية والقدرة على رسم الخرائط الموسعة المتعلقة بالتجارب السلوكية. يوضح الشكل 5A تكوين المجسات العصبية المعدنية السائلة والوصلات البينية EGaIn قبل دمجها في جزء ZIMB. تم زرع ما مجموعه 16 مسبارًا عصبيًا في كلا نصفي دماغ الفأر (المشار إليها بالنقاط السوداء)، مستهدفة القشور الحركية (MO) ومناطق الحصين (HIP). أظهرت المجسات العصبية الناعمة ممانعات منخفضة تبلغ 421.4 كيلو أوم في المتوسط مع SD قدره 11.2 كيلو أوم عند 1 كيلو هرتز، وكانت المساحة المفتوحة لكل قطب مسبار 39.25 ميكرومتر (الشكل 5 ب). تتوافق الصفيف 4 × 4 في الشكل 5B بشكل تخطيطي مع موضع المسبار في الشكل 5A. بعد دمج كل مسبار في وحدة اتصالات Wi-Fi وZIMB عبر طباعة توصيلات EGaIn على الجمجمة، حصلنا على آثار وحدة واحدة لاسلكيًا بمعدل أخذ عينات يبلغ 20360 هرتز. وتم تسجيل إمكانات وحدة واحدة من ثماني مناطق، على التوالي، في القشرية الحركية ومناطق الحصين (الشكل 5C). يعرض الفيلم S6 هذا التسجيل اللاسلكي في ماوس يتحرك بحرية. على أساس الإشارات التي تم الحصول عليها، تم رسم الأشكال الموجية المتوسطة للطفرات أحادية الوحدة المجمعة بـ PCA في الشكل 5D. وقد وفرت خواصها الشبيهة بالخلايا العصبية من الناحية الهيكلية والميكانيكية دقة مكانية عالية للتسجيلات ذات النطاق العصبي الفردي، حيث كشفت عن واحد إلى ثلاثة أشكال موجية متوسطة لارتفاعات الوحدة الواحدة. في قناة MO 3، تم تجميع ثلاثة أشكال موجية مختلفة لمتوسط ارتفاع PCA مع نسبة L قدرها 0.03658 و0.03359 و0.04332، مما يشير إلى وجود فصل جيد بين المسامير ذات الوحدة المفردة (الشكل 5E).

.


الشكل: 5. التسجيل العصبي اللاسلكي.
(أ) الرسوم التوضيحية التخطيطية التي توضح المواضع النسبية للمسابير العصبية والترابطات القحفية. (ب) رسم خرائط المعاوقة لصفائف الأقطاب الكهربائية المزروعة. (ج) إمكانات وحدة واحدة تمثيلية لـ 16 منطقة مختلفة من دماغ الفأر. مو، القشرة الحركية؛ الورك، الحصين. أشرطة النطاق، 100 ميكروفولت (عموديًا) و200 مللي ثانية (أفقيًا). (د) طفرات الوحدة المفردة المجمعة من PCA في 16 منطقة مختلفة من دماغ الفأر. أشرطة النطاق، 100 ميكروفولت (عموديًا) و2 مللي ثانية (أفقيًا). ( E ) ثلاثة طفرات مختلفة لوحدة واحدة متجمعة من PCA مسجلة في منطقة MO 3. أشرطة النطاق، 100 ميكروفولت (عموديًا) و2 مللي ثانية (أفقيًا). (F) LFPs المتزامنة المسجلة من قشورتين حركيتين متجاورتين (منطقتي MO 1 وMO 2). أشرطة النطاق، 100 μV (عمودي) و50 مللي ثانية (أفقي) (أعلى)، وموجات بيتا المتراكبة (10 إلى 45 هرتز) (الأوسط)، وزوايا الطور المقابلة (أسفل). (G) LFPs المسجلة من منطقة الحصين (HIP 6) (أعلى)، وطيف الطاقة الطبيعي (الأوسط)، ومتوسط ​​طيف الطاقة (أسفل).

لاحظنا التنشيط المتزامن لمناطق متعددة في الدماغ، بما في ذلك القشرة الحركية والحصين، أثناء صيانة الموقف في اختبار المجال المفتوح. ويبين الشكل 5F LFPs المسجلة من قنوات MO 1 وMO 2 المجاورة (أعلى)، وموجات بيتا المتراكبة (التذبذب من 10 إلى 45 هرتز) (الأوسط)، وزوايا الطور الخاصة بها (أسفل) باستخدام نظام إلكترونيات الجمجمة الخاص بنا. أظهرت موجات بيتا المتراكبة من LFPs إيقاعات مماثلة وتأخيرًا زمنيًا (3.11 مللي ثانية في المتوسط)، مما يمثل انتشار التذبذبات من مناطق MO 1 إلى MO 2. بالإضافة إلى ذلك، للتحقق مما إذا كانت حركة الماوس تؤدي إلى ضوضاء في إشارة LFP، قمنا بمقارنة كمية متوسط SD لجميع السعات الأساسية لإشارات LFP التي تمت تصفيتها بيتا والمقاسة من القشرة الحركية في حالات الحركة والراحة لنفس الماوس ( شكل S36) (65). أظهرت النتيجة اختلافًا ضئيلًا بين حالتي الحركة والراحة، مما يشير إلى أن حركة الماوس لم تسبب أي ضجيج ملحوظ في إشارات LFP. يوضح الشكل 5G تسجيلنا لـ LFPs من منطقة الحصين (HIP 6) أثناء الحالة الثابتة قبل بداية الحركة (أعلى)، ومطياف الطاقة الطبيعي (تم تصحيح خط الأساس بواسطة متوسط القدرة عند كل تردد) في تردد ثيتا (الأوسط) ) ، ومتوسط طيف الطاقة (أسفل). أظهرت هذه النتائج زيادة ملحوظة في قوة ثيتا خلال فترات الثبات، وهو ما يتوافق مع النتائج السابقة التي تفيد بأن تذبذبات ثيتا في نطاق 6 إلى 10 هرتز تهيمن عادةً على LFPs الحصين في الفئران وتزداد قوة ثيتا أثناء الثبات ولكن تخطيط الحركة. الدولة (66).
لاختبار التوافق الحيوي لمسبارنا، قمنا أولاً بتقييم السمية الخلوية لـ EGaIn الأصلي المطبوع. تم استخدام خلايا Neuro2a، وهي نوع من خلايا الأرومة العصبية، للتقييم، وتم تقييم صلاحية الخلية باستخدام مجموعة التصوير الحي/الميت [مجموعة تصوير الخلايا الحية/الميتة (488/570)، Thermo Fisher Scientific] بعد 7 أيام من الثقافة. أظهرت النتيجة أن العينة التي تحتوي على خطوط EGaIn المطبوعة أظهرت قابلية عالية للخلايا، مقارنة بعينة التحكم، مما يشير إلى سمية لا تذكر لـ EGaIn الأصلي (الشكل S37). علاوة على ذلك، تم فحص استجابات الأنسجة المزمنة لتحقيقاتنا العصبية في منطقة MO 3 بعد 4 أسابيع من الزرع عن طريق الصبغ المناعي لمضادات FOX3 (الخلايا العصبية)، ومضادات Iba-1 (الخلايا الدبقية الصغيرة)، والبروتين الحمضي الليفي المضاد الدبقية (GFAP؛ الخلايا النجمية). واستخدمت الخلايا الدبقية الصغيرة والخلايا النجمية كمؤشرات للاستجابات الدبقية الطبيعية. يُظهر الشكل S38 صورة مجهرية متحد البؤر مستعرضة بالقرب من المسبار المزروع، وأظهرت الواجهة بين المسبار وأنسجة المخ تفاعلات مناعية هامشية فقط مع عدم وجود استنزاف ملحوظ للخلايا العصبية ولا تعزيز الخلايا الدبقية الصغيرة والخلايا النجمية. بالإضافة إلى ذلك، أجرينا تقييمًا نسيجيًا للأنسجة التي تتصل مباشرة بنظامنا المزروع لمزيد من التحقق من التوافق الحيوي على المدى الطويل. بعد 6 أسابيع من الزرع، قمنا بتمييز فروة رأس الفأر المزروع بنظام الجمجمة لدينا باستخدام تلطيخ الهيماتوكسيلين ويوزين. لم تظهر الصورة النسيجية الناتجة أي علامات ملحوظة للأورام الخبيثة أو الالتهابات في فروة الرأس عند الاتصال المباشر بنظام الجمجمة لدينا (الشكل S39). يساهم التوافق الحيوي الممتاز المعروض في هذه النتائج في التشغيل المستقر لنظامنا على المدى الطويل. لمزيد من التقييم التجريبي، سجلنا إمكانات وحدة واحدة واثنين من المسامير المختلفة لوحدة واحدة متجمعة من PCA من فأر مزروع بنظام الجمجمة الخاص بنا بعد 6 أسابيع (الشكل S40). مناقشة
لقد قمنا بتطوير نظام إلكتروني قابل للطباعة ومتكامل الطاقة للتسجيل العصبي اللاسلكي الذي يمكن دمجه بشكل مطابق في جمجمة كائن حي، مما يزيد من سلامة الإلكترونيات للجسم البيولوجي. بالنسبة لمصدر الطاقة، تمت طباعة ZIMB شبه الصلبة بالطباعة ثلاثية الأبعاد مباشرة على السطح غير المستوي لنموذج الجمجمة. حققت الواجهة السلسة لـ ZIMB مع الجمجمة سعة مساحة عالية ووزنًا خفيفًا للغاية لهذه البطارية، مما أدى إلى تخفيف الضغط الجسدي لدى الفئران الحية ومساعدتها على سلوكياتها الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك، تم تصنيع مجسات عصبية ناعمة باستخدام طباعة عالية الدقة لمعدن سائل منخفض المعامل ومتوافق حيويًا، بأقطار على نطاق الخلية وأطوال قابلة للتكيف لتتناسب مع أعماق ومواقع مستهدفة مختلفة في الدماغ مع تحقيق الحد الأدنى من الغزو. أدى التكوين الإضافي للهياكل النانوية البلاتينية على سطح المعدن السائل إلى خفض مقاومة القطب لزيادة جودة الإشارة والدقة الزمانية المكانية للتسجيل العصبي. علاوة على ذلك، شكلت الطباعة المباشرة للوصلات المعدنية السائلة على طول السطح المنحني للجمجمة تكاملًا متجانسًا مع هذه المجسات العصبية، مما أتاح التكامل الكامل لوحدة اتصالات ZIMB وWi-Fi والمسابير العصبية المتعددة كجهاز عصبي لاسلكي متكامل الطاقة. نظام التسجيل على الجمجمة. تم وضع جميع مكونات الجهاز تحت الجلد عن طريق إغلاق الجلد وخطوات الخياطة اللاحقة. أثبت العرض الذي تم إجراؤه على الجسم الحي موثوقية نظام التسجيل العصبي الخاص بنا داخل الجسم وقدرته على تسجيل LFPs والارتفاعات الفردية من مناطق متعددة في الدماغ لاسلكيًا.
في الآونة الأخيرة، تم تطوير أجهزة التسجيل العصبية اللاسلكية على نطاق واسع لأبحاث علم الأعصاب السلوكي لدراسة الارتباطات العصبية المتعلقة بسلوكيات الحيوانات التي تتصرف مستيقظة، مع التركيز المتزايد على استخدام الحيوانات الصغيرة، مثل القوارض، لدراسة السلوكيات المعقدة. لذلك، فإن جمع البيانات العصبية من القوارض التي تتحرك بحرية أمر مثير للاهتمام لمجموعة واسعة من الدراسات بما في ذلك تغيرات المعالجة العصبية مع السلوكيات المختلفة (67)، وصنع القرار (68)، والتفاعلات الاجتماعية (18)، والأمراض المرتبطة بالحركة مثل مرض باركنسون (69). )، لأنها تعكس معلومات فسيولوجية محددة. على سبيل المثال، تلعب قشرة الفص الجبهي الإنسي (mPFC) دورًا حاسمًا في التفاعلات الاجتماعية، مثل اختبار المنافسة الغذائية. في الاختبار، ومن خلال قياس الأنشطة العصبية لـ mPFC، تم تحديد 18 نمطًا سلوكيًا مختلفًا. بالإضافة إلى ذلك، تصاحب أعراض مرض باركنسون أنشطة عصبية مختلفة، مثل التغيرات في العقد القاعدية وتزامن نشاط بيتا. في كلا السيناريوهين، يعد تمكين الحركات الطبيعية في النماذج الحيوانية الصغيرة دون تفاعل بشري أو أنظمة إلكترونية غير بيولوجية يمكنها تغيير السلوك الطبيعي أمرًا ضروريًا للتحليل العصبي الدقيق. يشير نظام التسجيل العصبي القابل للطباعة والمتكامل الطاقة أيضًا إلى قابليته للتوسعة لمختلف الإلكترونيات الحيوية القابلة للزرع وأبحاث علم الأعصاب السلوكي، إلى جانب قدرته على الفهم المتقدم بشكل ملحوظ للدماغ ووظائفه. المواد والأساليب
تحضير أحبار القطب الكهربائي لـ ZIMBs
لتصنيع أحبار الكاثود، تم تحضير مساحيق α-MnO2 النشطة باستخدام الإجراء الاصطناعي المذكور سابقًا (70). باختصار، تمت إضافة 0.003 M MnSO4·H2O (Sigma-Aldrich) و20 مل من 0.5 M H2SO4 (Samchun Co.) إلى 90 مل من الماء منزوع الأيونات (DI) وتقليبه حتى يتم الحصول على محلول واضح. بعد ذلك، تمت إضافة 20 مل من محلول مائي 0.1 مولار KMnO4 (Sigma-Aldrich) تدريجيًا إلى المحلول المحضر، وبعد ذلك تم نقل المحلول إلى الأوتوكلاف المبطن بالتفلون وتسخينه عند 120 درجة مئوية لمدة 12 ساعة. بعد ذلك، تم تبريد المحلول، وتعريضه للطرد المركزي لتجميع المواد الناتجة، وغسله عدة مرات بماء DI، وتجفيفه بالفراغ في درجة حرارة الغرفة للحصول على مساحيق α-MnO2 النشطة. تم تحضير حبر الكاثود للطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوية عن طريق خلط مساحيق α-MnO2 التي تم الحصول عليها، وSWCNT، وتعليق CNF (المحتوى الصلب = 2٪ بالوزن، Sugino)، وتعليق TOCN (المحتوى الصلب = 1٪ بالوزن، جامعة ماين) باستخدام خلاط كوكبي (ARE-310، Thinky) مع نسبة تكوين α-MnO2/SWCNT/CNF/TOCN = 80/10/5/5 (وزن/وزن/وزن/وزن). تم تحضير حبر كاثود التحكم عن طريق خلط مساحيق α-MnO2 وSWCNT وPVDF المذابة في NMP مع نسبة تكوين α-MnO2/SWCNT/PVDF = 80/10/10 (وزن/وزن/وزن). تم تحضير حبر أنود Zn عن طريق خلط مساحيق Zn (متوسط القطر <10 ميكرومتر، Sigma-Aldrich)، SWCNT، تعليق CNF (المحتوى الصلب = 2٪ بالوزن)، وتعليق TOCN (المحتوى الصلب = 1٪ بالوزن، جامعة ماين) باستخدام خلاط كوكبي (ARE-310، Thinky) بنسبة تكوين Zn/SWCNT/CNF/TOCN = 94/3/1.5/1.5 (w/w/w/w). تم تحضير حبر أنود التحكم عن طريق خلط مساحيق Zn وSWCNT وPVDF مع نسبة تكوين Zn/SWCNT/PVDF = 94/3/3 (وزن/وزن/وزن).
تحضير إلكتروليت مركب شبه صلب وأحبار التعبئة والتغليف لـ ZIMBs
قبل تصنيع حبر الإلكتروليت المركب الهلامي، تم تحضير البادئ الضوئي القابل للذوبان في الماء [ميثيل β-سيكلوديكسترين / 2-هيدروكسي-2-ميثيل بروبيوفينون (MCD-HMPP)] باستخدام الإجراء الاصطناعي المُبلغ عنه مسبقًا (71). باختصار، تم إذابة 1.74 جم (1.3 مللي مول) من MCD (Sigma-Aldrich) في 6 مل من الماء، وبعد ذلك تمت إضافة 0.2 مل (1.3 مللي مول) من HMPP (Sigma-Aldrich). تم صوتنة التشتت عديم اللون لمدة 5 دقائق للحصول على محلول عديم اللون واضح. بعد خضوعه لتبخر المذيب، تم تجفيف المركب الصلب بالفراغ طوال الليل. مكنت تركيبة MCD من حل بادئ الصور HMPP في الماء. تم تحضير حبر الإلكتروليت المركب الهلامي عن طريق خلط محلول سلائف الإلكتروليت الهلامي والجسيمات النانوية SiO2 (متوسط القطر ، ~ 40 نانومتر ، دينكا ، اليابان) ، والتي تم استخدامها كعامل ضبط للريولوجيا. أولاً ، تم تحضير محلول سلائف الإلكتروليت الهلامي عن طريق خلط 2 M ZnSO4 + 0.2 M MnSO4 إلكتروليت سائل مائي ، مونومر الأكريلاميد (Sigma-Aldrich) ، N، N′-methylenebis (acrylamide) (ماجستير في إدارة الأعمال ؛ Sigma-Aldrich) رابط متقاطع ، وبادئ الصور MCD-HMPP. كانت نسبة تكوين المنحل بالكهرباء المائي / الأكريلاميد / ماجستير إدارة الأعمال 99:10:1 (وزن / وزن / وزن)، وكانت نسبة MCD-HMPP (نسبة إلى مونومر الأكريلاميد) 1٪ بالوزن. بعد ذلك، تمت إضافة الجسيمات النانوية SiO2 إلى محلول سلائف الإلكتروليت الهلامي وخلطها باستخدام خلاط كوكبي (ARE-310، Thinky)، حيث كانت نسبة تكوين محلول سلائف الإلكتروليت الهلامي / SiO2 80:20 (وزن / وزن). تم تحضير حبر التغليف عن طريق خلط راتينج قابل للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية (NOA68T، Norland Products Inc.) وجسيمات متناهية الصغر SiO2 مع نسبة تركيب من الراتنج/SiO2 = 85:15 (وزن/وزن). الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوية وتوصيف مكونات ZIMB
لإثبات قابلية الطباعة ثلاثية الأبعاد ومطابقة مكونات ZIMB على الأسطح غير المستوية، تم تصنيع الركائز ثلاثية الأبعاد على شكل منحدر ونصف الكرة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد من النوع التجاري لنمذجة الترسيب المنصهر (FDM) (Almond، Opencreators) مع خيوط حمض عديد اللبنيك. تم تصنيع الكاثود والأنود باستخدام نظام طباعة ثلاثي الأبعاد غير مستوي قائم على DIW (Image Master 350PC Smart، Musashi Engineering Inc.) يتكون من فوهة (القطر الداخلي = 200 ميكرومتر) متصلة بحقنة تحتوي على حبر، والتي تم قذفها بواسطة جهاز التحكم بالضغط الهوائي وفقًا للتصميم المسبق القائم على التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD). كعينة تحكم، تم تصنيع الأقطاب الكهربائية المستوية عن طريق طباعة نفس أحبار الكاثود والأنود على فيلم PET. تم إجراء FEA باستخدام برنامج تجاري Autodesk Inventor (Autodesk Inc.). تم تحليل تفاعلات SWCNT وTOCN باستخدام مطياف رامان (LabRam Aramis، Horiba Jobin Yvon). تم فحص إمكانات زيتا لأحبار القطب باستخدام Zetasizer (Nano ZS، Malvern Panalytical). تمت دراسة الخواص الريولوجية للكاثود والأنود والإلكتروليت الهلامي المركب وأحبار التغليف باستخدام مقياس الضغط (MCR 302، Anton Paar). تم فحص تفاعل المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية للإلكتروليت المركب الهلامي باستخدام مطياف FTIR (Alpha Platinum ATR، Bruker) بدقة طيفية تبلغ 4 سم −1. تم تحديد المظاهر المادية وعروض الخطوط للأقطاب الكهربائية المطبوعة (الكاثودات والأنودات) باستخدام المجهر الضوئي (LV100ND، Nikon). تم فحص التشكل السطحي والمقطعي للعينات بواسطة قياسات رسم الخرائط الأولية SEM (S4800، Hitachi) ومطياف الأشعة السينية المشتتة من الطاقة (Ultim Max 65، Oxford Instruments). تصنيع وتوصيف ZIMBs لإلكترونيات الجمجمة
لتصنيع ZIMB، أولاً، تم فحص جمجمة الفأر باستخدام التصوير المقطعي المحوسب (Skyscan 1176، Bruker) للحصول على النموذج الحسابي ثلاثي الأبعاد للجمجمة. تم تصنيع نموذج الجمجمة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد من النوع الانتقائي بالليزر (SLS) (sPro60 SLS Center، 3D Systems). تمت طباعة عبوة / ركيزة الراتنج القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية لـ ZIMB بشكل ثلاثي الأبعاد على السطح غير المستوي لنموذج الجمجمة المطبوع ثلاثي الأبعاد، وبعد ذلك تمت معالجة الركيزة بالكامل بواسطة الأشعة فوق البنفسجية (مصباح Hg UV، كثافة الذروة = 5000 ميجاوات سم−2 ، Lichtzen) لمدة دقيقة واحدة. لنمط جامع الذهب (Au) الحالي عن طريق الرش المعدني، وكحول البولي فينيل [PVA؛ متوسط الوزن الجزيئي (Mw) = 9000 إلى 10000، تم تصنيع أقنعة Sigma-Aldrich] عن طريق طباعة حبر PVA. تم تحضير حبر PVA عن طريق خلط محلول مائي PVA (محتوى صلب = 30٪ بالوزن) وجزيئات SiO2 عند نسبة تركيب محلول مائي PVA / SiO2 = 70:30 (وزن / وزن). تمت طباعة حبر PVA على الركيزة الراتنجية المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية بنمط متداخل وتم تجفيفه عند درجة حرارة 60 درجة مئوية طوال الليل. تم إجراء ترسب Au على الركيزة الراتنجية المزخرفة بالقناع باستخدام نظام ترسيب بخار فيزيائي قائم على المغنطرون قائم على التيار المباشر (Infovion Inc.) في غاز الأرجون (Ar) بقوة 300 واط لمدة 5 دقائق. تم غمر الركيزة المودعة في الماء للحث على إذابة وتصفيح قناع PVA من الركيزة الراتنجية المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. وفي وقت لاحق، تمت طباعة حبر الكاثود وحبر الأنود وأحبار الإلكتروليت المركب بشكل تسلسلي باستخدام نظام الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المستوي القائم على DIW. تم تجفيف الكاثود والأنود المطبوع بالفراغ عند درجة حرارة 50 مئوية لمدة 24 ساعة. بعد ذلك، تمت طباعة حبر الإلكتروليت المركب الهلامي على الأقطاب الكهربائية (الكاثود والأنود) ثم معالجته بالأشعة فوق البنفسجية لتصلب الإلكتروليت. أخيرًا، تمت طباعة حبر التغليف الراتينج ثلاثي الأبعاد على المنحل بالكهرباء المركب الهلامي المُجهز وتم تعريضه للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية لمدة دقيقة واحدة، مما أدى إلى تغليف بطارية صلبة ومعزولة بالكامل بسمك 57 ميكرومتر. لتصنيع كيس تحكم من نوع ZIMB، تم تحضير كاثود بواسطة شفرة صب نفس حبر الكاثود الخاص بـ ZIMB المذكور أعلاه على رقائق التيتانيوم (Ti) وتجفيفه بالفراغ عند 50 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. بعد ذلك، تم تجميع الكاثود الذي تم الحصول عليه باستخدام أنود رقائق Zn، وفاصل من الألياف الزجاجية، وإلكتروليت مائي (2 M ZnSO4 + 0.2 M MnSO4) وأخيرًا تم إغلاقه بغشاء كيس من الألومنيوم (Al) كمادة تعبئة. تم إجراء تحليل السيرة الذاتية لـ ZIMB المخصص للجمجمة في نطاق جهد يتراوح من 3.0 إلى 5.4 فولت ومعدل مسح قدره 0.2 مللي فولت ثانية. تم إجراء تحليل السيرة الذاتية لـ ZIMBs المخصصة للجمجمة باستخدام الجهد / الجلفانوستات (VMP-300، Bio-Logic). تم إجراء قياس الشحنة/التفريغ الجلفانية باستخدام جهاز اختبار الدورة (PNE Solution Co. Ltd) في درجة الحرارة المحيطة. الطباعة المباشرة للمعادن السائلة
تم تحضير فوهة بقطر داخلي 5 ميكرومتر عن طريق سحب أنبوب شعري زجاجي (أداة سوتر) بقطر داخلي 0.5 مم وقطر خارجي 1.0 مم باستخدام ساحبة ماصة (P-1000، أداة سوتر). كان الحبر المستخدم في المعدن السائل عبارة عن سبيكة جاليوم-إنديوم سهلة الانصهار، EGaIn (75.5% جاليوم، 24.5% سبيكة إنديوم من حيث الوزن؛ شركة Changsha Santech Materials Co. Ltd.). تمت مراقبة عملية طباعة EGaIn باستخدام كاميرا مجهرية (QImaging Micropublisher 5.0 RTV، Teledyne Photometrics) لإدارة موضع الفوهة بدقة بالنسبة إلى الركيزة باستخدام مرحلة سداسية المحاور (H-820 6-Axis Hexapod، Physik Instrumente). في حالة الفوهة التي يبلغ قطرها 5 ميكرومتر، تم تطبيق ضغط هواء قدره 55 رطل لكل بوصة مربعة لسحب EGaIn من المحقنة إلى طرف الفوهة الشعرية الزجاجية قبل البدء في الطباعة بسرعة 0.05 مم ث.
تصنيع مجسات عصبية ناعمة باستخدام الطباعة المعدنية السائلة
تضمنت عملية تصنيع المجسات العصبية الناعمة الخطوات التالية: (1) تم طلاء رقاقة Si بطبقة مضحية من مقاومة الإقلاع LOR 3A (MicroChem) باستخدام طبقة الدوران. (2) تم ترسيب طبقة الباريلين-C بسماكة 1 ميكرومتر على رقاقة Si المطلية بالطبقة الذبيحة لطبقة التخميل السفلية باستخدام طبقة الباريلين. (3) تمت طباعة EGaIn بخطوط عرض 5 ميكرون على طبقة الباريلين-C. (4) تم ترسيب طبقة باريلين-C أخرى بسماكة 1.5 ميكرومتر لطبقة التخميل العليا. (v) تم تدوير مقاوم الضوء S1818 (MicroChem) ومن ثم نقشه باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية لتحديد شكل المسبار. (6) تم حفر مناطق الباريلين-C التي لم تكن مغطاة بطبقة S1818 عبر بلازما O2 باستخدام نظام النقش الأيوني التفاعلي، وتمت إزالة مقاوم الضوء S1818 بواسطة الأسيتون. (vii) تم تدوير مقاوم الضوء S1818 مرة أخرى ثم تم تصميمه باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية لفتح منصات القطب الكهربائي، وتم تكرار الخطوة (vi). (8) تم رفع المجسات الناتجة من رقاقة Si عن طريق إذابة الطبقة المضحية بمحلول PG المزيل (MicroChem). (التاسع) تم بعد ذلك شطف المجسات العصبية المفرج عنها بماء DI.
الترسيب الكهربي للمجموعات النانوية البلاتينية
لتحضير 25 مل من محلول الطلاء الكهربائي، تم خلط 25 مل من ماء DI، و5 ملغ من ثلاثي هيدرات خلات الرصاص (Sigma-Aldrich)، و0.25 جم من رابع كلوريد البلاتين (Sigma-Aldrich) في درجة حرارة الغرفة. تم بعد ذلك تقليب المحلول باستخدام الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية لمدة 20 دقيقة وتصفيته لإزالة الشوائب. بعد ذلك، تم إجراء الطلاء الكهربائي عن طريق نقل الأيونات بين الكاثود (مسبار عصبي ناعم يتطلب الطلاء الكهربائي) والأنود (قطب حزب العمال). تم غمر كل من الكاثود والأنود في محلول الطلاء الكهربائي وتم توصيلهما بمقياس مصدر (Keithley 2400، Tektronix). حدث تفاعل الطلاء الكهربائي تحت جهد كهربائي قدره 5 فولت وتيار امتثال قدره 0.1 مللي أمبير لمدة 60 ثانية.
التوصيف الكهروميكانيكي
الضغط والإفراج عن الاختبار
تمت طباعة خط PtB/EGaIn على رقاقة سيليكون، متبوعًا بتغليفه بطبقة باريلين-C. في ظل ظروف الضغط والإفراج، باستخدام السطح الجانبي لرقاقة السيليكون بسماكة 0.5 مم المتصلة بجهاز اختبار الضغط (Mark-10)، تم قياس تغير مقاومة PtB/EGaIn المطبوع عن طريق توصيل كلا الطرفين بمصدر متر (كيثلي 4200-SCS، تكترونيكس).
اختبار التمدد والشفاء الذاتي
تم إجراء كسر العينة من أجل التمدد واختبار الشفاء الذاتي باستخدام وحدة التحكم في المحرك المتدرج (SMC-100، Ecopia) ومرحلة التمدد أحادية المحور. تم لصق خط PtB / EGaIn المطبوع على فيلم بولي (ثنائي ميثيل سيلوكسان) مطلي بالباريلين-C على مرحلة التمدد وتم تمديده إلى 250٪. بعد ذلك، تم قياس تغير مقاومة PtB/EGaIn المطبوع من خلال توصيل كلا الطرفين بمقياس المصدر (Keithley 4200-SCS، Tektronix). تم التحكم في حركة مرحلة التمدد بواسطة وحدة تحكم الحركة عالية السرعة (برنامج PMC-1HS، Autonics). تم قياس تغير المقاومة لعينة PtB/EGaIn باستمرار أثناء عملية الشفاء الذاتي بمعدل أخذ عينات قدره 5 مللي ثانية. التحليل الطيفي للمقاومة
تم اختبار مجسات EGaIn وPtB/EGaIn الأصلية لقياسات المعاوقة في محلول PBS (Sigma-Aldrich). لقياس المعاوقة في الجسم الحي، تم زرع قطب كهربائي مرجعي وتحقيقات PtB/EGaIn في دماغ فأر مخدر مثبت على الرأس (C57BL/6N، ذكر). تم إجراء جميع قياسات المعاوقة باستخدام منظم الجهد متعدد القنوات (PMC-1000، AMETEK) في نطاق تردد يتراوح من 0.01 إلى 100 كيلو هرتز.
اختبارات الشد
تم استخدام خصائص الإجهاد والانفعال لـ EGaIn وPtB/EGaIn الأصليين لقياس معامل المرونة أثناء اختبار الشد باستخدام محلل نسيج دقيق الدقة TXATM (Yeonjin S-Tech، جمهورية كوريا). تم إجراء تمديد العينات وإطلاقها بمعدل إجهاد قدره 10 ميكرومتر في الثانية.
تجارب على الحيوانات
كانت الفئران المستخدمة في الدراسة عبارة عن فئران ذكور C57BL/6N عمرها 8 أسابيع وتم وضعها في بيئة خاضعة للرقابة مع درجة حرارة 23 درجة مئوية، ورطوبة 50٪، ودورة ضوء لمدة 12 ساعة / دورة مظلمة مدتها 12 ساعة. للتخدير، تم استخدام خليط من 20 ميكرولتر من الزيلازين، و 80 ميكرولتر من الكيتامين، و 100 ميكرولتر من برنامج تلفزيوني لكل فأر. تم إجراء جميع التجارب على الحيوانات وفقًا للمبادئ التوجيهية المنصوص عليها في دليل رعاية واستخدام حيوانات المختبر التابعة للجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسية بجامعة يونسي. تمت الموافقة على البروتوكولات من قبل لجنة أخلاقيات التجارب على الحيوانات في جامعة يونسي (رقم الموافقة IACUC-A-202201-1411-02).
اختبار المجال المفتوح
تم إجراء اختبار المجال المفتوح في ساحة مساحتها 2100 سم2. تم تنظيف الساحة باستخدام 70% من الإيثانول بين تجارب الاختبار. تم إيواء الفئران الطبيعية والمزروعة بنظام الجمجمة في بيئة خاضعة للرقابة مع درجة حرارة 23 درجة مئوية، ورطوبة 50٪، ودورة ضوء لمدة 12 ساعة / 12 ساعة مظلمة. للاختبار، تم وضع الفئران الطبيعية C57BL/6N أو الفئران المزروعة بنظام الجمجمة (ن = 5 لكل مجموعة) في وسط الحقل المفتوح وتم السماح لها بالتحرك بحرية لمدة 5 دقائق. تم تسجيل الحركات بالفيديو وتحليلها باستخدام برنامج ANY-maze (الإصدار 4.3؛ Stoelting Co.، Wood Dale، IL). كان الوقت في المنطقة الوسطى هو المقياس الأساسي للسلوكيات الشبيهة بالقلق. على وجه التحديد، تم تعريف المركز على أنه مربع يضم 50٪ من المساحة الإجمالية للساحة المفتوحة.
التوصيف الحراري
من أجل التوصيف الحراري أثناء الاختبارات داخل الجسم الحي، تم تخدير الفئران C57BL/6N المزروعة بنظام الجمجمة وتثبيتها على محول قوارض يتكون من صفعة الفك وقضبان الأذن (RWD Life Science، الولايات المتحدة الأمريكية). تم قياس درجة الحرارة بواسطة كاميرا الأشعة تحت الحمراء (T650sc، FLIR Systems)، وتم تحليل توزيع درجة حرارة الصور والفيديو باستخدام برنامج FLIR ResearchIR (ResearchIR Max، FLIR Systems). التسجيل العصبي اللاسلكي
لتحليل البيانات من LFPs وإمكانات وحدة واحدة، تم استخدام نظام التسجيل العصبي اللاسلكي. يتضمن هذا النظام جهاز تسجيل لاسلكي خفيف الوزن مصممًا للفئران (JAGA penny) وبرنامج NeuroPhys/NeuroSorter (JAGA Systems، Jiang-hi). تم استخدام معدل أخذ عينات يبلغ 20360 هرتز ومرشح درجة 60 هرتز أثناء التسجيل. تم استخدام مرشحات تمرير النطاق التي تتراوح (i) من 0.1 إلى 300 هرتز و(ii) من 300 إلى 3000 هرتز لتسجيل LFPs والارتفاعات أحادية الوحدة، على التوالي.
تم إجراء تسجيلات متزامنة للإشارات من كل موقع من المواقع الأربعة لكل من LFPs وتتبعات الوحدة الواحدة. وتم بعد ذلك رسم هذه الإشارات معًا لتسهيل التحليل الشامل ومقارنة البيانات التي تم الحصول عليها من كل موقع. تم زرع المجسات العصبية الناعمة جراحيًا في إحداثيات مجسمة محددة مثقوبة مسبقًا داخل دماغ فأر مخدر (C57BL/6N، ذكر)، وتم استخدام حجم المسمار المحدد (الفولاذ المقاوم للصدأ) من 0 إلى 80 (وفقًا لـ Unified National Fine) من أجل القطب المرجعي. تم تسهيل إجراء الزرع هذا من خلال مرحلة حركة سداسية المحاور. لضمان الموثوقية والصلاحية، تم إجراء كل تجربة مع ثلاثة فئران مختلفة على الأقل. الإحداثيات التجسيمية: (ط) القشرية الحركية (MO): 2 مم AP، 2 مم ML، 1.5 مم DV من bregma؛ 2 مم AP، 1 مم ML، 1.5 مم DV؛ 2 مم AP، −1 مم ML، 1.5 مم DV؛ 2 مم AP، −2 مم ML، 1.5 مم DV؛ 1 مم AP، 1 مم ML، 1.5 مم DV؛ 1 مم AP، −1 مم ML، 1.5 مم DV؛ 0.5 ملم AP، 1.5 ملم ML، 1.0 ملم DV؛ 0.5 ملم AP، −1.5 ملم ML، 1.5 ملم DV. (2) مناطق الحصين (HIP): −1 مم AP، 2 مم ML، 1.5 مم DV؛ −1 مم AP، 1 مم ML، 1.5 مم DV؛ −1 مم AP، −1 مم ML، 1.5 مم DV؛ −1 مم AP، −2 مم ML، 1.5 مم DV؛ −2 مم AP، 2.5 مم ML، 1.5 مم DV؛ −2 مم AP، 1.5 مم ML، 1.5 مم DV؛ −2 مم AP، −1.5 مم ML، 1.5 مم DV؛ −2 مم AP، −2.5 مم ML، 1.5 مم DV. (ثالثًا) المرجع: 2.5 مم AP، 1 مم ML. تمثل AP، ML، وDV الأمامي الخلفي، الناصف الوحشي، والظهراني المركزي، على التوالي.
الكيمياء المناعية
تم تثبيت أدمغة الفئران باستخدام بارافورمالدهيد 4% لمدة 24 ساعة، ثم نقلها إلى 30% سكروز لمدة 3 أيام. تم قطع العقول إلى أقسام محورية بطول 30 ميكرومتر باستخدام مشراح متجمد. تم تحضين المقاطع في محلول مانع (PBS، 5٪ مصل ماعز طبيعي، و 0.2٪ Triton X-100) لمدة ساعة واحدة عند درجة حرارة الغرفة وتم تحضينها بالأجسام المضادة الأولية في مانع المحلول طوال الليل عند 4 درجات مئوية. كانت الأجسام المضادة الأولية المستخدمة كما يلي: FOX3 (NeuN) (BioLegend، 834502، 1:300)، Iba-1 (Invitrogen، 1:200)، وGFAP (Invitrogen، 1:300). بعد التفاعل المناعي الأولي، تم تحضين المقاطع باستخدام Alexa Fluor 488 (Invitrogen، A-21202، 1: 500) -، Alexa Fluor 594 (Invitrogen، A-21209، 1: 500) - و Alexa Fluor 647 (Invitrogen، A32733، 1:500) – الأجسام المضادة الثانوية المترافقة. تم تصور المناعية للأقسام باستخدام مجهر مضان Axio Imager M2 (Carl Zeiss).
تحليل البيانات
كشف الارتفاع وتجميع PCA
تم إجراء جميع تحليلات بيانات التسجيل العصبي اللاسلكي باستخدام MATLAB مع صناديق الأدوات الأربعة مفتوحة المصدر (صندوق أدوات الإحصائيات ومعالجة الإشارات الآلية، صندوق أدوات التعلم، صندوق أدوات الإحصائيات الدائرية، صندوق أدوات المعلوماتية الحيوية بواسطة فيليب بيرينز). تم تعيين عتبة الكشف عن الارتفاع على أنها −5 أضعاف SD للسلسلة الزمنية التي تمت تصفيتها، والتي تم ترشيحها بتمرير النطاق بين 300 و3000 هرتز. تم استخدام PCA لتقليل أبعاد البيانات باستخدام دالة k-means.
تصفية إشارة LFP
تم إجراء جميع تحليلات بيانات التسجيل العصبي اللاسلكي باستخدام MATLAB مع صندوق أدوات مفتوح المصدر (صندوق أدوات معالجة الإشارات). تمت تصفية الإشارات عبر النطاق بواسطة مرشح بتروورث من الدرجة الثانية مع نطاق تردد بيتا (10 إلى 45 هرتز) وثيتا (6 إلى 10 هرتز). LFP الطاقة الطيفية
تم إجراء جميع تحليلات بيانات التسجيل العصبي اللاسلكي باستخدام MATLAB مع صندوق أدوات مفتوح المصدر (صندوق أدوات معالجة الإشارات). كانت LFPs غير المصفاة ذات تمرير منخفض - تمت تصفيتها بواسطة مرشح بتروورث من الدرجة الرابعة مع قيمة تردد القطع البالغة 300 هرتز. بالنسبة للتحليل، تم اختزال الإشارات من معدل أخذ العينات الأصلي البالغ 20360 هرتز إلى 1 كيلو هرتز. تم إجراء مخطط طيفي لتحويل فورييه قصير الأمد (STFT) باستخدام نوافذ هانينغ بحجم 500 عينة، مع تداخل 50% من العينات بين النوافذ المجاورة. في كل نافذة، تم حساب تحويل فورييه المنفصل بنقاط أخذ العينات 2048 × 4. تم تطبيع سعة STFT الناتجة عن طريق طرح خط الأساس وتقسيمه مرة أخرى على خط الأساس، حيث يكون خط الأساس هو متوسط سعة STFT المطلقة من 10 إلى 20 ثانية. تم رسم المخططات الطيفية أيضًا باستخدام صندوق الأدوات مفتوح المصدر (صندوق أدوات معالجة الصور). لرسم المخطط الطيفي بمقياس ألوان مستمر، تمت تصفية السعات STFT المقيسة باستخدام مرشح متوسط ثنائي الأبعاد بحجم مرشح 2 × 16.
حساب نسبة L
تم حساب نسبة L على أساس مسافة Mahalanobis على النحو التالي في السياق المحدد، Nc هو عدد المسامير في المجموعة C، وi ∉ C هي مجموعة المسامير التي ليست أعضاء في المجموعة C، ويقدم CDFχ2 وظيفة التوزيع التراكمي للتوزيع χ2 في مساحة ميزة 8D، و
هي مسافة Mahalanobis للارتفاع i من C. على وجه الخصوص، تشير نسبة L التي تقل عن 0.05 إلى الفصل والعزل الجيد للكتلة.
تحليل احصائي
تم تقديم جميع البيانات كوسيلة ± SD. تم إجراء الحسابات الإحصائية لقيمة P باستخدام رمز MATLAB المخصص.
شكر وتقدير
التمويل: تم دعم هذا العمل من قبل وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (MSIT)؛ وزارة التجارة والصناعة والطاقة (MOTIE)؛ وزارة الصحة والرعاية الاجتماعية؛ ووزارة الغذاء وسلامة الأدوية الكورية من خلال مؤسسة البحوث الوطنية (2021M3H4A1A02099355 و2023R1A2C2006257)، وبرنامج ERC (2022R1A5A6000846)، ومنحة صندوق تطوير الأجهزة الطبية الكورية (RMS 2022-11-1209/KMDF RS-2022-00141392) . تم دعم هذا العمل أيضًا من قبل معهد العلوم الأساسية (IBS-R026-D1).
مساهمات المؤلف: Y.W.K.، D.B.A.، وY.-G.P. أجرى التجربة، وقام بتحليل البيانات، وكتب المخطوطة. سي إس كيه. و Y.-M.H. شاركوا في جميع التجارب على الحيوانات والتحليلات ذات الصلة. E.K.، D.H.L.، S.-W.K.، K.-H.L.، وW.-Y.K. كانوا متورطين في تصنيع الأجهزة. J.-UP، وS.-Y.L.، وJ.W.C.، وH.H.J. أشرف على جميع مراحل البحث وقام بمراجعة المخطوطة. ناقش جميع المؤلفين المخطوطة وعلقوا عليها.
المصالح المتنافسة: يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح متنافسة.
توفر البيانات والمواد: جميع البيانات اللازمة لتقييم الاستنتاجات الواردة في الورقة موجودة في الورقة و/أو المواد التكميلية. جميع الرموز متاحة على https://doi.org/10.5281/zenodo.10654840.
المواد التكميلية
يتضمن ملف PDF هذا:
تحميل
https://www.science.org/doi/suppl/10...s_s1_to_s6.zip
تحميل https://www.science.org/action/downl...adn3784_sm.pdf

ث





clear























3,489 / 5,000






نتائج الترجمة

نتيجة الترجمة

لاحظنا التنشيط المتزامن لمناطق متعددة في الدماغ، بما في ذلك القشرة الحركية والحصين، أثناء صيانة الموقف في اختبار المجال المفتوح. ويبين الشكل 5F LFPs المسجلة من قنوات MO 1 وMO 2 المجاورة (أعلى)، وموجات بيتا المتراكبة (التذبذب من 10 إلى 45 هرتز) (الأوسط)، وزوايا الطور الخاصة بها (أسفل) باستخدام نظام إلكترونيات الجمجمة الخاص بنا. أظهرت موجات بيتا المتراكبة من LFPs إيقاعات مماثلة وتأخيرًا زمنيًا (3.11 مللي ثانية في المتوسط)، مما يمثل انتشار التذبذبات من مناطق MO 1 إلى MO 2. بالإضافة إلى ذلك، للتحقق مما إذا كانت حركة الماوس تؤدي إلى ضوضاء في إشارة LFP، قمنا بمقارنة كمية متوسط SD لجميع السعات الأساسية لإشارات LFP التي تمت تصفيتها بيتا والمقاسة من القشرة الحركية في حالات الحركة والراحة لنفس الماوس ( شكل S36) (65). أظهرت النتيجة اختلافًا ضئيلًا بين حالتي الحركة والراحة، مما يشير إلى أن حركة الماوس لم تسبب أي ضجيج ملحوظ في إشارات LFP. يوضح الشكل 5G تسجيلنا لـ LFPs من منطقة الحصين (HIP 6) أثناء الحالة الثابتة قبل بداية الحركة (أعلى)، ومطياف الطاقة الطبيعي (تم تصحيح خط الأساس بواسطة متوسط القدرة عند كل تردد) في تردد ثيتا (الأوسط) ) ، ومتوسط طيف الطاقة (أسفل). أظهرت هذه النتائج زيادة ملحوظة في قوة ثيتا خلال فترات الثبات، وهو ما يتوافق مع النتائج السابقة التي تفيد بأن تذبذبات ثيتا في نطاق 6 إلى 10 هرتز تهيمن عادةً على LFPs الحصين في الفئران وتزداد قوة ثيتا أثناء الثبات ولكن تخطيط الحركة. الدولة (66).لاختبار التوافق الحيوي لمسبارنا، قمنا أولاً بتقييم السمية الخلوية لـ EGaIn الأصلي المطبوع. تم استخدام خلايا Neuro2a، وهي نوع من خلايا الأرومة العصبية، للتقييم، وتم تقييم صلاحية الخلية باستخدام مجموعة التصوير الحي/الميت [مجموعة تصوير الخلايا الحية/الميتة (488/570)، Thermo Fisher Scientific] بعد 7 أيام من الثقافة. أظهرت النتيجة أن العينة التي تحتوي على خطوط EGaIn المطبوعة أظهرت قابلية عالية للخلايا، مقارنة بعينة التحكم، مما يشير إلى سمية لا تذكر لـ EGaIn الأصلي (الشكل S37). علاوة على ذلك، تم فحص استجابات الأنسجة المزمنة لتحقيقاتنا العصبية في منطقة MO 3 بعد 4 أسابيع من الزرع عن طريق الصبغ المناعي لمضادات FOX3 (الخلايا العصبية)، ومضادات Iba-1 (الخلايا الدبقية الصغيرة)، والبروتين الحمضي الليفي المضاد الدبقية (GFAP؛ الخلايا النجمية). واستخدمت الخلايا الدبقية الصغيرة والخلايا النجمية كمؤشرات للاستجابات الدبقية الطبيعية. يُظهر الشكل S38 صورة مجهرية متحد البؤر مستعرضة بالقرب من المسبار المزروع، وأظهرت الواجهة بين المسبار وأنسجة المخ تفاعلات مناعية هامشية فقط مع عدم وجود استنزاف ملحوظ للخلايا العصبية ولا تعزيز الخلايا الدبقية الصغيرة والخلايا النجمية. بالإضافة إلى ذلك، أجرينا تقييمًا نسيجيًا للأنسجة التي تتصل مباشرة بنظامنا المزروع لمزيد من التحقق من التوافق الحيوي على المدى الطويل. بعد 6 أسابيع من الزرع، قمنا بتمييز فروة رأس الفأر المزروع بنظام الجمجمة لدينا باستخدام تلطيخ الهيماتوكسيلين ويوزين. لم تظهر الصورة النسيجية الناتجة أي علامات ملحوظة للأورام الخبيثة أو الالتهابات في فروة الرأس عند الاتصال المباشر بنظام الجمجمة لدينا (الشكل S39). يساهم التوافق الحيوي الممتاز المعروض في هذه النتائج في التشغيل المستقر لنظامنا على المدى الطويل. لمزيد من التقييم التجريبي، سجلنا إمكانات وحدة واحدة واثنين من المسامير المختلفة لوحدة واحدة متجمعة من PCA من فأر مزروع بنظام الجمجمة الخاص بنا بعد 6 أسابيع (الشكل S40).