Forskning i gränslandet mellan elektronik och nerver är på väg att ge begreppet människa-maskingränssnitt en ny innebörd. Än så länge är det visserligen främst råttor som fått hjärna eller nervtrådar sammankopplade med elektrodbestyckade mikrostrukturer, men på sikt hägrar visionen att människor som förlorat en kroppsdel ska kunna styra proteser med tankens kraft.

Tre svenska forskargrupper har tagit viktiga steg på vägen mot målet: en forskargrupp i Lund har bland annat utvecklat ett kiselchips med så kallade nervmikrofoner, Acreo har tagit fram en avancerad kiselprob och Linköpingsforskaren Tobias Nyberg har använt organiska polymerer för att skapa nervelektroder.

Trion har valt olika angreppssätt, men en gemensam nämnare är att de utnyttjar mikrosystem med strukturer finare än nervceller, som ofta är 50 μm eller mindre i diameter. Dessutom kan de hantera de låga spänningspulser som nervceller kommunicerar med.

Kiselchips i nervsystemet

Det tvärvetenskapliga Lundaprojektet Artificial Hand är kanske det mest ambitiösa. Målet är att styra handproteser med elektriska signaler som avläses från muskelelektroder eller kiselchips inopererade i nervsystemet. Projektet startade redan 1994, och i dagsläget är hela sju institutioner involverade - från elektrisk mätteknik till zoofysiologi.

- Bredden är unik. En av våra styrkor är alla discipliner som deltar, säger Thomas Laurell, professor på institutionen för elektrisk mätteknik på LTH.

Att man använder en frisk hand som "facit" är också unikt. Den amputerade personen rör sin friska hand och gör samtidigt samma rörelser med handen som saknas. Eller snarare tänker sig rörelserna. En sensorbestyckad handske på den friska handen läser av rörelserna, medan muskelelektroder (ungefär som EKG-elektroder) eller ett inopererat kiselchips registrerar signaler i armstumpen. Ett artificiellt neuralt nätverk bearbetar informationen och lär sig känna igen vilka muskelrörelser som motsvarar armstumpens signaler. Därefter skulle man kunna styra en protes från det inopererade chipset, nervchipset.

För att demonstrera principen har gruppen tillverkat en robothand, och det känns onekligen lite märkligt när den vita plasthanden försöker härma min handskbeklädda hand och vinkar tillbaks. Vid demon styrs dock robothanden direkt från sensorhandsken på min hand.

Men ur elektronikperspektiv är kanske nervchipsen det mest intressanta. Med litografi och etsning har Lars Wallman, på institutionen för elektrisk mätteknik, utvecklat ett litet perforerat kiselmembran med elektroder, som kapade nervtrådar kan växa igenom.

- Det är en ganska enkel kiselprocess lånad ur halvledarvärlden. Men vi använder inte metallelektroder utan kiselelektroder, och det är vi nog ensamma om i det här sammanhanget, säger Lars Wallman som i fjol doktorerade på neurala kiselgränssnitt.

Elektroderna skapas genom att kislet delas in i zoner som hårddopas med fosfor. Varje zon motsvarar en elektrod, eller nervmikrofon som de också kallas. För att registrera avancerade hand- och fingerrörelser krävs mellan tio och tjugo nervmikrofoner. Hittills har man utvecklat chips med fyra.

- Anslutningarna sätter gränsen, säger Lars Wallman.
För om själva chipstillverkningen varit relativt enkel, så har monteringen och kontakteringen varit desto knepigare.
Nervchipset sätts fast på ett tunt kretskort som leder ut elektrodsignalerna. Kretskortet placeras i ett litet silikonrör som opereras in i en kapad nervbunt. Sedan dröjer det två-tre månader innan nerverna vuxit igenom chipset.

Ett antal råttor har fått inopererade nervchips, och forskargruppen har kunnat avläsa nervsignaler och även tillföra stimuli som gett ryckningar i råttans ben. Men det är en tuff miljö för elektroniken. Kablarna kan gå av, och vid läckage kan kroppens saltlösning förstöra kontakterna. Förutom att förbättra kontakteringen är nästa steg att undersöka hur geometrier, elektrodytor och elektrodmaterial påverkar chipsets funktion, biologiskt såväl som mättekniskt.

När kan nervchipsen göra nytta hos skadade människor då? Ja, den frågan undviker Lundaforskarna att svara på, efter att ha blivit felciterade i tidigare sammanhang. Men det ligger många år framåt i tiden.

Gaffel i SOI

Acreos gaffelliknande mätprob har också utvecklats i ett flerårigt tvärvetenskapligt projekt. Det heter Vsamuel och finansieras av EU. En handfull europeiska universitet ska ta fram mätinstrument för att mäta signaler i ett stort antal mätpunkter i hjärnor eller nervtrådar. Det rör sig om grundforskning, som i förlängningen kan hjälpa patienter med exempelvis proteser, epilepsi eller Parkinsons.

- Tidigare har hjärnforskare i allmänhet bara haft tillgång till singelelektroder, men för att bättre kunna kartlägga hjärnans signaler måste de kunna mäta i många punkter samtidigt, säger Maria Kindlundh på forskningsbolaget Acreo i Kista.

Acreo utnyttjar ett vanligt kisel-på-isolator-substrat (SOI) för att skapa upp till 8 tunna kiselspröt som sticker ut från ett chips försett med ledningsdragning och kontaktpaddar. Spröten, vars diameter på 25 μm motsvarar en fjärdedels hårstrå, härbärgerar ett antal små iridium- eller platinaelektroder.
- Tekniken tillåter mycket små prober som kan mäta signaler i hjärnan utan
att trasa sönder hjärnvävnaden, säger Maria Kindlundh.

Acreos senaste probgeneration med 64 elektroder har använts med gott resultat av neuroforskare i Antwerpen, Aalborg och Milano. De har stuckit ner proberna i sövda råttors hjärnor såväl som i nervtrådar i kaninben. Nästa steg är att läsa av hjärnsignaler hos vakna råttor som springer runt. Och hjärnforskarna är så nöjda med 64-elektrodsproben att Acreo beslutat sig för att lägga de ursprungliga planerna på en 128-elektrodsprob på is.

- Nästa steg blir att produktanpassa
64-kanalsproben. Vi har exempelvis inte trimmat processen för låg impedans än, men i höst ska vi ta krafttag, säger Peter Norlin som är projektledare för Acreos probprojekt.
Impedansen i dagens prober ligger på 1-3 MW, och 1 MW vid 1 kHz är fullt acceptabelt för att klara det termiska bruset. Men ju lägre impedans, desto bättre, menar Peter Norlin.

Vad händer med Acreoproben när det treåriga Vsamuelprojektet tar slut vid årsskiftet då? Några konkreta planer på att kommersialisera proben finns inte - finansiering saknas. Hjärnforskarna vill dock ha fortsatt tillgång till proben, och det tyska företag som utvecklat en förstärkare i Vsamuelprojektet är intresserat av att marknadsföra instrument som utnyttjar Acreoproben.
- Vi hoppas på en fortsättning i EUs sjätte ramprogram, säger Peter Norlin.

Känsel såväl som motorik

Tobias Nyberg, som i maj lade fram en avhandling vid Linköpings universitet, har koncentrerat sig på känselnerver såväl som motoriska nerver. Han har i samarbete med cellbiologen Helena Jerregård lyckats ta fram en Y-klyka i silikongummi som sorterar upp sammantrasslade nervtrådar i känselnerver respektive nerver för muskelstyrning. Ischiasnerven i benet på en levande råtta kapades, Y-klykan sattes in och nerverna växte ut sorterade.

Tobias Nyberg utmaning bestod i att skapa strukturer med elektroder som läser av utväxande muskelnerver eller ger stimuli till känselnerver.
Han präglade en yta i plast med kanaler som är
20 μm djupa, 20 μm breda och 10 mm långa. I botten på kanalerna stansades små hål ut. Under hålet placerades en metallelektrod, varpå hålen fylldes med en ledande polymerhydrogel. Resultatet är en så kallad hydrogelelektrod. Genom att lägga på en potential på metallelektroden bildas en ström i polymeren. Hydrogelelektroderna har en impedans på 8,5 kW vid 1 kHz och klarar att leverera 200-1000 μsek långa strömpulser med toppvärden på 50 μA. I Tobias Nybergs försök har chips belagda med en speciell proteinbeläggning använts för att få nervceller att växa ut längs med kanalstrukturerna och kontaktera hydrogelelektroderna. Hittills har experimenten inte utförts på levande djur.

Charlotta von Schultz