A kutatócsoport neve
PPKE ITK Implantálható Mikrorendszerek Kutatócsoport
A kutatócsoport vezetője
Fekete Zoltán, villamosmérnök, tudományos főmunkatárs, Pázmány Péter Katolikus Egyetem, Információtechnológiai és Bionikai Kar
Telefon
+36 30 612 3218
Email
fekete.zoltan@itk.ppke.hu
Web
www.neuromems.hu
Részletes adatok
NAP 2 kutatási téma címe
Multimodális mikroeszközök in vivo vizsgálata infravörös idegi stimulációhoz
A NAP 2-ben tervezett kutatások leírása
A projektben a kutatócsoport egyértelmű célja, hogy a NAP1 során kifejlesztett technológia (lásd alább) biztonságos alkalmazásának feltételeit további in vivo kísérletekben vizsgálja, és a mikroeszköz működési paramétereinek optimalizálásával lehetővé tegye a technika preklinikai transzlációját.
A csoport tagjai specifikálni fogják az in vivo kísérletek során alkalmazandó optikai stimulációs protokollokat. Megtervezik a kísérletek elvégzéséhez szükséges integrált mikroeszközöket, melyek képesek infravörös fény kontrollált becsatolására és parallel agykérgi és mélyagyi elektrofiziológiai és termikus jelek elvezetésére. Az előállításhoz szükséges félvezetőtechnikai eljárásokat az MTA EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézettel kooperációban végzik. Multifizikai modellező eszközben létrehozzák a tervezett mikroeszköz csatolt optikai-termikus modelljét, mellyel jellemezhető a stimuláció hatáskeresztmetszete különböző gerjesztési feltételek esetén.
A fényvezető eszközök hatásfokát és a nyalábprofilt befolyásoló jellemzőit optikai mérőpadon minősítik, és kalibrálják a műtéthez használatos példányokat. Az optikai padon végzett mérési eredményekkel validálják a létrehozott multifizikai modellt. Elektrokémiai mérésekkel jellemzik a mikroeszköz mérőpontjait, és elvégzik az integrált hőmérsékletszenzorok kalibrációját is.
Kisállatkísérletben validálják az egyes integrált funkciókat, ezt követően szövettani vizsgálatokkal meghatározzák azokat a gerjesztési küszöbértékeket, melyek adott stimulációs protokollok esetén biztosítják az idegsejtek viselkedésének modulálását a környező szövet károsodása nélkül. A kísérletek közben mérik a kiváltott elektrofiziológiás válaszokat is az agykéreg egyes rétegeiben.
A várható eredmények az optikai ingerlés mechanizmusának mélyebb megértésén túl hozzájárulhatnak ahhoz is, hogy az infravörös idegi stimuláció – a neurodegeneratív betegségek tüneti kezelésében alkalmazott elektromos ingerlési módszerek mellett – egy új, alternatív terápiás módszerré váljon.
A kutatócsoport vezetőjének szakmai bemutatása
Fekete Zoltán a Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információtechnológiai és Bionikai Karának főmunkatársa. Villamosmérnöki diplomáját 2009-ben, PhD fokozatát szintén villamosmérnöki tudományokból 2013-ban szerezte a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen. Szakterülete a mikroméretű érzékelők és beavatkozók technológiájának kutatása és bevezetése idegtudományi alkalmazásokba. Posztdoktori munkáját az MTA Természettudományi Kutatóközpontjában kezdte, majd a freiburgi Albert Ludwig Egyetem Műszaki Karán az Alexander von Humboldt Alapítvány ösztöndíjasaként megismerkedett az idegi implantátumok készítésére használható korszerű mikro- és nanotechnológiai eljárásokkal.
A Nemzeti Agykutatási Program támogatásával 2015-ben tért haza, és alapíthatta meg az Implantálható Mikrorendszerek Kutatócsoportot, melynek szakmai munkáját – négy doktorandusz témavezetésével – azóta is irányítja. A NAP2 projektmunkáján felül egy olyan akadémiai alapkutatási projektben is kutatásvezető, melyben újszerű implantátumanyagok felhasználásával hoz létre az agykéreg térképezésére integrált elektrofiziológiai szenzorhálózatokat. Kutatásait kiterjedt hazai és nemzetközi együttműködésekben végzi, melynek eredményeit 23 nemzetközi, hatástényezővel rendelkező tudományos folyóiratban közölte. Közleményeire eddig több mint 200 független hivatkozás történt. Összesített hatástényezője: 80. Munkásságát 2018-ban az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíjával is elismerték.
Kulcsszavak
agyi implantátumok, infravörös idegi stimuláció, mikro- és nanotechnológia, mikroelektród, elektrofiziológia, optikai ingerlés
Előzmények
NAP 1 kutatási téma címe
Hippokampális és mélyagyi területek optikai stimulációja újszerű mikro- és nanotechnológiai megoldásokkal
A NAP 1-ben elért eredmények összefoglalása
2015-ben egy Magyarországon egyedülálló kutatócsoport jött létre, mely azt tűzte ki célul, hogy az anyagtudomány legújabb eredményein alapuló, újszerű idegtudományi kísérleti alkalmazásokat hozzon létre, elsősorban testszövetbe ültethető mikroeszközök bevezetésével. A projekt során a központi idegrendszer sejtjeinek ingerlésére alkalmas mikrooptikai rendszereket, ún. optródokat terveztek és készítettek el a félvezető technikában ismert, mikro- és nanotechnológiai műveletek alkalmazásával. Az eszközök tervezését hullámfizikai és sugárkövetési modellekkel is segítették, továbbá foto- és elektronsugaras litográfiai technikákkal a megmunkálási folyamatokat is optimalizálták.
A technológiai eredményeket alkalmazva elsőként alakítottak ki szilícium hordozóban egy olyan agyszövetbe ültethető optródot, mely infravörös hullámhossztartományban képes a fénystimulus térben kontrolált becsatolására, továbbá az ingerelt szövetrész közvetlen környezetében a kiváltott elektrofiziológiás aktivitást és a hőmérsékletet is monitorozza. Az integrált mikroeszköz külvilággal történő műszeres kapcsolatát egyedi szereléstechnikai megoldásokkal biztosították, továbbá egy elektronikai platformot is terveztek későbbi szabadon mozgó állatkísérletekhez. A mikroeszköz termikus és elektromos funkcionalitását in vivo kísérletben is ellenőrizték. Eredményeiket rangos nemzetközi folyóiratokban publikálták.
A NAP 1 programhoz kapcsolódó fontosabb publikációk
Á. Cs. Horváth, Ö. Cs. Boros, Sz. Beleznai, Ö. Sepsi, P. Koppa, Z. Fekete, A multimodal microtool for spatially controlled infrared neural stimulationin the deep brain tissue, Sensors & Actuators B-Chemical 263 (2018) 77-86
https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.02.034
Z. Fekete, M. Csernai, K. Kocsis, Á. Cs. Horváth, A. Pongrácz, P. Barthó, Simultaneous in vivo recording of local brain temperature and electrophysiological signals with a novel neural probe, Journal of Neural Engineering 14 (2017) 034001
https://doi.org/10.1088/1741-2552/aa60b1
M. Kiss, P. Földesy, Z. Fekete: Optimization of a Michigan-type silicon microprobe for infrared neural stimulation, Sensors & Actuators B-Chemical 224 (2016) 676-682
https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.10.084
Z. Fekete. E. Pálfi, G. Márton, M. Handbauer, Zs. Bérces, I. Ulbert, A. Pongrácz, L. Négyessy, Combined in vivo recording of neural signals and iontophoretic injection of pathway tracers using a hollow silicon microelectrode, Sensors & Actuators B-Chemical 236 (2016) 815-824
https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.12.099
Z. Fekete: Recent advances in silicon-based neural microelectrodes and microsystems: a review, Sensors & Actuators B-Chemical 215 (2015) 300-315
https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.03.055
Kép a kutatócsoport tagjairól
