De chip als hersenchirurg

Het nieuwe onderdeel kan worden gebruikt bij medisch onderzoek, bijvoorbeeld voor het ‘doormeten’ van zenuwbanen in levend weefsel. Het gaat daarbij om weefsel dat wordt ondergedompeld in een voedingsvloeistof en daardoor niet afsterft. De medische technologen van het Max Planck Institut zien een goede toepassing bij het onderzoek naar ziekten zoals Alzheimer. Een voorstel voor zo’n onderzoek is, om dunne plakjes van een zojuist overleden patiënt op de chip te plaatsen en er vervolgens medicijnen in bepaalde concentraties overheen te gieten. Via de chip kunnen de stromen in het zenuwweefsel worden gemeten, zowel voor als na het toedienen van de medicamenten. De specificaties van de nieuwe halfgeleider werden uitgebreid behandeld op de International Solid State Circuits Conference, kortweg de Isscc, die vorig week in de Verenigde Staten werd gehouden. Sensoren Op de chip is een sensormatrix aangebracht, die niet groter is dan 1 vierkante millimeter. Op dat oppervlakje zitten echter wel 16.384 sensoren, elk met een eigen stukje elektronica. Die schakelingen zorgen ervoor dat de meetgegevens van de sensor worden versterkt en omgezet in signalen waar een computer iets mee kan doen. De signalen van de 128 bij 128 matrix worden door de Neuro­Chip verzameld en dan doorgestuurd naar een computersysteem. Op dat platform vindt de uiteindelijke verwerking van de meetgegevens plaats. De nieuwe chip werd gepresenteerd door dr. Ronald Thewes, senior director bij het R&D­centrum van Infineon. "Deze schakeling maakt het mogelijk om het gedrag van zenuwcellen te bestuderen zonder de werking ervan te verstoren. Bij traditionele meetmethoden hadden we die optie niet. We konden dan alleen een zenuwbaan in een bepaalde situatie fixeren om er metingen aan te doen. Daarna was het weefsel niet opnieuw te gebruiken. Nu zijn we in staat om een stukje weefsel gedurende langere tijd aan onderzoek te onderwerpen. Het record ligt inmiddels op een proefperiode van een paar weken", aldus Thewes. Bij de oude testmethoden werd een glazen plaatje gebruikt waarop metalen lijntjes waren aangebracht. De lijntjes werden gemaakt door metaal in dampvorm te laten neerslaan, wat een zeer fijne structuur mogelijk maakte. Thewes: "Die structuren waren wel zeer klein, maar ze vallen in het niet bij wat we nu hebben gemaakt. In de nieuwe chip bedraagt de tussenruimte tussen de sensoren niet meer dan 8 micron, een factor 300 kleiner dan bij de oude techniek." De sensoren op de chip meten de uiterst zwakke signalen die over de neuronen, de zenuwcellen, lopen. Bij de proeven is vooralsnog gebruikgemaakt van de hersenen van een slak, omdat deze een redelijke eenvoudige structuur hebben. De neuronen hebben een afmeting die ligt tussen de 10 en 50 micron, zodat altijd wel een van de sensoren onder een zenuwknooppunt komt te liggen tijdens de metingen. De signalen die van de Neuro­Chip afkomen worden doorgestuurd naar de computer, die een model berekent van de zenuwbanen die op de chip zijn gelegd. "We gebruiken een groot aantal sensorpunten, waardoor we de mogelijkheid hebben om de signalen over de zenuwbanen beter te analyseren. Bij een enkele meting maak je alleen een momentopname, nu kunnen we een signaal volgen van het begin tot het einde van een zenuwbaan, door te kijken langs welke sensoren het signaal komt, hoe sterk het is en hoeveel tijd er voor nodig is om die hele weg af te leggen", zegt Thewes. Bij de verwerking van de gegevens kan het model van de zenuwbanen worden ingekleurd, zodat de wetenschappers een veel beter beeld krijgen van de activiteit in het weefsel. Per seconden worden zo’n tweeduizend metingen uitgevoerd. "We hebben niet alleen de mogelijkheid om de weefselmonsters te beproeven in verschillende vloeistoffen, we kunnen ze ook met elektrische signalen stimuleren. Daarbij worden zeer kleine spanningen gebruikt, variërend van ongeveer 100 microvolt tot ten hoogste 5 millivolt. In de chip is een aparte schakeling geïntegreerd, die periodiek een zelfcontrole uitvoert. Op die manier wordt het elektrische gedrag van de chip zelf in kaart gebracht, zodat een verandering daarin de meetgegevens niet beïnvloedt", aldus Thewes. Technieken Voor het maken van de Neuro­Chip worden de traditionele technieken gebruikt, die ook te vinden zijn bij de fabricage van andere halfgeleiders. De chip wordt gemaakt op een plaatje silicium van 5 bij 6 millimeter, de extra ruimte is nodig voor de testcircuits, de versterkers en dergelijke. "Met zulke schakelingen kunnen we eindelijk hybridische neuron/ halfgeleidersystemen testen. Zeg maar rustig dat een oude droom in vervulling is gegaan", aldus professor dr. Peter Fromherz van het Max Planck Institut voor Biochemie. Volgens hem wordt de Neuro­Chip cruciaal bij het onderzoek naar de werking van de menselijke hersenen. "Ook zullen we met deze techniek veel sneller nieuwe medicijnen kunnen ontwikkelen, die bovendien meteen getest kunnen worden", zegt Fromherz. De ontwikkeling van de nieuwe chip heeft ongeveer tweeënhalf jaar geduurd. Voor het Max Planck Institut betekende de samenwerking een mogelijkheid om veel dieper onderzoek te doen naar de interface tussen halfgeleiders en levend materiaal, de zogeheten bio­interface.