 |
Investigation of novel implant materials for high-resolution, multiparametric imaging of cortical activity
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120143 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Fekete, Zoltán |
| Title in Hungarian |
Újszerű implantátum anyagok alkalmazása az agykéreg aktivitásának nagy-felbontású, multiparaméteres leképezésére |
| Title in English |
Investigation of novel implant materials for high-resolution, multiparametric imaging of cortical activity |
| Keywords in Hungarian |
mikroelektródák, egysejt aktvitiás, EEG, agykérgi leképezés, két-foton mikroszkópia, fMRI |
| Keywords in English |
microelectrode arrays, single-unit activity, EEG, cortical imaging, two-photon microscopy, fMRI |
| Discipline |
| Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences) | 70 % | | Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Informatics and Electrical Engineering |
| Department or equivalent |
Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research) |
| Participants |
Borhegyi, Zsolt
Cserpán, Dorottya
Fedor, Flóra
Földesy, Péter
Horváth, Ágoston Csaba
Lőrincz, Tibor
Pongrácz, Anita
Somogyvári, Zoltán
Szabó, Zoltán
Sztyéhlikné Bérces, Zsófia
Zátonyi, Anita
|
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2020-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
46.779 |
| FTE (full time equivalent) |
14.20 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Célunk újszerű, flexibilis, minimálisan invazív mikrorendszerek létrehozása, melyek alkalmasak agykérgi területek elektromos aktivitásának nagy felbontású leképezésére, ugyanakkor kombináltan használhatóak más képalkotó eljárásokkal (pl. funkcionális mágneses rezonanciavizsgálat, ultragyors ultrahang lokalizációs mikroszkópia, két-foton mikroszkópia). A tervezett mikroelektród hálózat létrehozásához új hordozóanyagokat fogunk felhasználni és alkalmazhatóságukat in vitro és in vivo modellben validálni. A UT Dallas munkatársainak közreműködésével, alakmemóriával rendelkező műanyagokból funkcionális jelelvezetésre alkalmas tűelektródokat fogunk készíteni, melyek a beültetést követően, 37 C-on kilágyulnak és csökkenthetik a gyulladásos reakciókat, ezáltal az eszköz élettartama is meghosszabbodik. Flexibilis kijelzők fejlesztése nyomán megjelenő színtelen, optikai tisztaságú polimerekből agyfelszínre helyezhető flexibilis fóliaelektród mátrixot fogunk kialakítani, melyek kombináltan használhatók a mai dinamikusan fejlődő agykérgi területeket vizsgáló optikai stimulációs és leképezési eljárásokkal is. Vizsgálni fogjuk a felhasználni kívánt anyagok toxicitását, mechanikai terhelhetőségét, és funkcionális viselkedését epidurális fólia elektródok, ill. tűelektródok hordozóanyagaként. Francia partnerek (INSERM, CNRS) bevonásával megvizsgáljuk, hogy az új anyagválasztékkal készült testszövetbe implantálható mikroeszközök más, non-invazív, in vivo leképezési eljárásokkal, milyen kialakítás mellett kombinálhatók hatékonyan. Az agyfelszíni, ill. mélyagyi mérések értékeléséhez poliimid, ill. szilícium alapú referenciaeszközt is készítünk, igazolva az új anyagszerkezetek előnyeit.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Alapkutatásunk új anyagtudományi megközelítéssel vizsgálja annak a lehetőségét, hogy miként lehet a hagyományos rétegszerkezettel rendelkező, agyi jelek monitorozására szolgáló mikroeszközök funkcionalitását bővíteni és élettartamát meghosszabbítani a hordozóanyag módosításával. A kiváló időbeli felbontást nyújtó, EEG és/vagy sejtaktivitás mérési funkciók megtartása, ill. térbeli felbontásának javítása mellett alapvető kérdés, hogy az újszerű műanyagok alkalmazása, a rétegszerkezet és a kapcsolódó tokozási technikák optimalizálásával miként tehető egy ilyen flexibilis agy-gép interfész kompatibilissé a mai újszerű in vivo képalkotási eljárásokkal. BOLD funkcionális MRI-vel, ultrahangos szuperrezolúciós mikroszkópiával, ill. két-foton mikroszkópiával külön-külön kombinálva szeretnénk megvizsgálni, hogy a létrehozott mikrorendszerek milyen műtermékeket generálnak, hogyan módosítják ezen eljárások felbontóképességét és jelintenzitását, és az új anyagválasztékból létrehozott polimer alapú mikrorendszereink technológiai módosításával miként lehet az előidézett hatásokat előnyösen befolyásolni. Minden esetben vizsgálni fogjuk annak lehetőségét, hogy a létrehozott eszközök preklinikai kutatásokban is biztonsággal alkalmazhatók legyenek.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A mai központi idegrendszeri vizsgálatokat célzó kísérleti, elektrofiziológiai információt szolgáltató implantátumok hordozóanyaga és vezető rétegei jellemzően olyan anyagokból épülnek fel, melyek mechanikai vagy optikai tulajdonságuk következtében nem teszik lehetővé sokoldalú alkalmazásukat. Emiatt igen kevés példa létezik arra, hogy ezen flexibilis eszközöket más kevésbé vagy nem invazív leképezési technikákkal előnyösen tudjuk párhuzamosan használni. Ugyanakkor számos gyorsan fejlődő képalkotó eljárás (funkcionális mágneses rezonanciás képalkotás, ultragyors ultrahangos lokalizációs mikroszkópia, két-foton mikroszkópia) által eredményezett adat elemzéséhez nyújtana értékes kiegészítő információt egyes kérgi vagy mélyagyi területekről, kiváló időbeli felbontással elvezetett idegi aktivitásmintázat. Az implantátum rétegfelépítéséből adódó mechanika, optikai vagy mágneses tulajdonságok hangolásával lehetőség nyílik a felsorolt metodikákkal történő párhuzamos, műtermékmentes alkalmazás akár élő éllatmodellben is.
A funkcionalitás bővülésén túl az általunk használni kívánt, alakmemóriával rendelkező polimerek lehetőséget adnak ezen implantátumok mechanikai tulajdonságának hangolására. Így a beültetést követően fellépő hőmérsékletváltozás hatására a mikroeszköz merev szubsztrátja az agyszövet rugalmassági modulusával közelíthető állapotot vesz fel. Alkalmazásukkal csökkenthetjük a környező szövet immunreakcióját, ami tovább javítja az elvezetett elektrofiziológiai jel minőségét, hosszútávú stabilitását. E tulajdonság további előnye, hogy - megfelelő biokompatibilitási tesztek elvégzését követően - preklinikai kutatásokban is egyszerűbben adaptálhatók, kevésbé invazív hatásuk miatt. A vizsgált újszerű rétegszerkezettel kialakított implantátumaink a későbbiekben akár transzlálhatók klinikai idegsebészeti irányba is akár epidurális, akár mélyagyi elektródok formájában.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az agyi funkcionalitás és viselkedés kapcsolatát vizsgáló kísérleti idegtudományi területeken jelentős kutatás zajlik az elektrofiziológiai jelelvezetést és stimulálást biztosító elektródák klinikai alkalmazási lehetőségeinek és hatásainak megismerését célozva. Ezen eszközöket más, folyamatosan fejlődő orvosbiológiai képalkotó eljárásokkal párhuzamosan alkalmazva lehetőségünk nyílik a különböző metodikák előnyös térbeli vagy időbeli felbontóképességének szinergikus kihasználására. Emellett fontos szempont, hogy a beültetett eszköz hosszú távon is megbízhatóan működjön. Az utóbbi években számos újszerű polimer került kifejlesztésre, melyek előnyös mechanikai vagy optikai tulajdonsága alkalmas lehet az implantátum és számos kevésbé invazív agyi aktivitást leképező módszer kombinált használatára. Célunk alakmemóriával rendelkező, ill. optikai tisztaságú műanyagok felhasználásával, elektromos agyi aktivitást monitorozó implantátumok előállítása és funkcionális vizsgálata állatmodellekben. Az újszerű anyagtudományi megközelítést igénylő feladatban együttműködünk a texasi egyetemmel, míg a komplex in vivo vizsgálatokat több magyarországi és francia idegtudományi partner aktív közreműködésével végezzük el.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The goal of our project is to create novel, flexible, minimally invasive microsystems that are capable of high-resolution electrical monitoring of cortical activity and can be combined with other emerging neuroimaging techniques like functional magnetic resonance imaging, ultrafast ultrasound localization microscopy or two-photon microscopy. Our proposed microelectrode system will be fabricated from novel polymer based substrate materials and will be tested in in vivo and in vitro neural experiments. Based on the preliminary results of our collaborator from UT Dallas (Dr Alexandra Imre-Joshi), we will design and produce functional microelectrodes from shape memory polymer. As being implanted in the nervous system, the Young modulus of these devices will accomodate to that of the brain tissue, and this way a reduction of inflammatory tissue response and longer device lif cycle is expected. Based on the recent advances in flexible displays, novel colorless, optically smooth polymers will also be tested as substrate of foil electrode matrices that are measuring cortical potentials in parallel with dynamically evolving optical stimulation and imaging methods in neuroscience. Toxicity, mechanical stability and functional behaviour of microsystems made of these newly introduced materials will be tested. In the laboratory of French collaborators, combination of our devices with fMRI (Dr Emmanuel Procyk, INSERM) and fUS (Dr Zsolt Lenkei, CNRS) will be investigated in original in vivo experiments on connectome research. To make objective evaluation of our results, reference devices composed of conventional polyimide and silicon will also be tested and compared.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
By introducing a novel approach in engineering substrate materials of implantable neural sensors monitoring neuronal signaling, we investigate how we can extend their current functionality and lengthen These sensors provide outstanding temporal and spatial resolution of electrical activity (Local Field Potential, single and multiunit activity). The fundamental question is that how can we optimize their properties by applyng new material compositions, layer structures and related packaging techniques in order to make these flexible brain-machine interfaces compatible with state-of-the-art in vivo imaging techniques. We plan to perform parallel phantom and in vivo investigations in fMRI,fUS, 2P systems to identify artifacts generated by the implants and determine material engineering strategies to maximize resolution and signal intensities of each modalities. Our general aim is to conduct all experiments such that they can be safely translated into preclinical applications.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Neural implants in electrophysiology of the central nervous system are composed of bulk and thin film materials, which do not facilitate their versatile application due to their inherent mechanical and optical properties. So far, there are only a few experimental evidence on the simultaneous use of these sensors with other less or non-invasive brain imaging techniques. Nevertheless, the evolution of non-invaisve brain imaging techniques like functional magnetic resonance imaging, ultrafast ultrasound localization microscopy or two-photon microscopy is very fast, while related data analysis methods would require complementary information of high temporal resolution on cortical or deep-brain electrical activity patterns. Tuning the optical, mechanical or magnetic properties of the constituting materials of the proposed polymer based implants, we may open new doors to the combined multimodal in vivo applications in the research of e.g. connectome diseases like Parkinson's disease or epilepsy without artefacts caused by complementary methods.
Besides the extension of functionality of these implantable devices, proposed materials like shape memory polymers gives excellent opportunity to turn a rigid substrate into flexible as being implanted. This way, the immune response of the brain tissue can be suppressed, while signal-to-noise ratio and long term stability of the recorded neural signals can be substantially improved. This versatile approach in engineering of biomedical microdevices facilitates the possible translation to preclinical studies and paves the way of the proposed flexible, polymer implants to being used in the diagnosis or therapy of neurodegenerative diseases in the future.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Today's experimental neuroscience put significant efforts to learn the relationship between brain functionality and cognition. The possible clinical application of recording and stimulation of neuronal activity by various type of electrodes is in special focus of these investigations. The combination of such electrophysiology methods with recently emerging brain imaging techniques provides unique opportunities to exploit the advantegous temporal and spatial resolutions offered by complementary techniques. Nevertheless, the reliable and stable use of implants in long term studies is especially important. In recent years, numerous novel polymer has been developed in biomedical fields or optoelectronics. Implantable devices composed of these materials with tunable optical and mechanical properties are envisioned to be compatible with non-invasive brain imaging techniques. Our goal is to introduce shape memory polymers and polymers used in optoelectronic displays into the microfabrication technology of neural microelectrodes. Functional investigation would be carried out in animal models. In the novel material engineering approach, we will collaborate with partners in material science (UT Dallas, USA) and neuroscience (INSERM & CNRS, France).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
