Interfacing with the brain using organic electronics

  • View
    909

  • Download
    1

  • Category

    Science

Preview:

Citation preview

Institut Mines‐Télécom

Interfacing with the brain using organic electronics

George MalliarasDepartment of Bioelectronics, Microelectronics Center of ProvenceEmail: malliaras@emse.fr ; Twitter: @GeorgeMalliaras

Institut Mines‐Télécom

Our location

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr2

Microelectronics Center of ProvenceInaugurated 2008

La Timone Hospital

AMU Medical School

Institut Mines‐Télécom

Outline

Introduction to neural interfacing

Why organics?

Conducting polymers yield new capabilities for neuroscience  

• Recording single neurons without penetrating the brain

• Recording brain activity with high signal‐to‐noise ratio

• Stopping seizures (in vitro) with localized drug delivery

Ion transport in conducting polymers

Materials challenges ahead

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr3

Institut Mines‐Télécom

Bioelectronics: Coupling biology and electronics

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr4

Mostly soft

Complex signaling

Dynamic

Hard

Electrons/holes

Static 

SensingDiagnosis

ActuationTherapy

Institut Mines‐Télécom

Importance of neural interfacing

100 billion neurons in the human brain, organized in networks

Their communication holds the key for understanding how the brain works

These networks can be rewired by diseases such as epilepsy, cancer, …

Stimulation of these networks is increasingly being used as therapy

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr5

EEG ECoG sEEG

Institut Mines‐Télécom

Epilepsy

Affects 1‐2% of world population

Temporal lobe epilepsy (TLE) is     most frequent form in adults

TLE is often drug resistant

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr6

Key challenges:

Improve electrode performance

Make less invasive recordings

Institut Mines‐Télécom

Deep brain stimulation for Parkinson’s

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr7

Institut Mines‐Télécom

Brain/machine interfaces

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr8

L.R. Hochberg, D. Bacher, B. Jarosiewicz, N.Y. Masse, J.D. Simeral, J. Vogel, S. Haddadin, J. Liu, P. van der Smagt, and J.P. Donoghue, Nature 485, 372 (2012). 

Institut Mines‐Télécom

From discovery to therapy

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr9

Luigi Galvani(1737 – 1798) 

Pacemaker circa 1957

Arne Larsson, first to receive implantable pacemaker in 1958. He received a total 

of 26 pacemakers and died at 86.

NanostimLeadless pacemaker

Institut Mines‐Télécom

Implantable electronic medical devices

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr10

Artificial limbs controlled by the brain(Penn Center for Brain Injury and Repair)

Cochlear implant(Cochlear)

Implantable defibrillator(Medtronic)

Approved devices:• Heart pacemakers – 600,000 per year• Cochlear implants (hearing) – 300,000 patients• Spinal cord stimulators (pain relief) – 15,000 per year• Deep brain stimulators (Parkinson’s)• Phrenic nerve stimulators (assisted breathing)• Sacral nerve stimulators (bladder control)• Vagus nerve stimulators (epilepsy)• Retinal implants (vision)

In development:• Functional electrical stimulation (standing and gait)• Brain Computer Interfaces (control of robotic limbs)• DBS (severe psychiatric conditions) • Vestibular prostheses (balance) • Vision prostheses (vision) • Cortical prostheses (epilepsy detection & suppression) 

Institut Mines‐Télécom

Medical technologies raise ethical questions

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr11

Young Frankenstein, 20th Century FOX  (1974)

1771: Galvani’s experiments 1958: First implantable pacemaker Today: Implantable defibrillator

Institut Mines‐Télécom

Hype versus reality

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr12

Dr. Octopus in Spiderman 2

Boy hearing for the first time

Institut Mines‐Télécom

Organic electronics

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr13

Thin film transistors Photovoltaics

DuPont

Someya Lab

Light emitting diodes

Samsung

Astron FIAMM

Heliatek

Institut Mines‐Télécom

Typical organic semiconductors

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr14

NN

CH3 CH3

O

NAl

3

TPD

Alq3

Pentacene

n n

S

O O

n

S n

PPPPPV

PEDOTP3HT

Institut Mines‐Télécom

Carbon as a semiconductor

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr15

R. Hoffman, C. Janiak, C. Kollmar, Macromolecules 24, 13, 3725‐3746, (1991).

EG ħ2p22maN

CH2=CH2

Hybridization: sp2 and pZ

Particle in a box:

Institut Mines‐Télécom

PEDOT doped with PSS

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr16

SO3H SO3H SO3H SO3H SO3- SO3H SO3H SO3H

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

+ *

p‐type doped material

Holes on PEDOTSulfonate ions on PSS

Holes in the form of polaronsPolyanion immobilizes dopants

σ = 1000 S/cm

Electrically neutral

Institut Mines‐Télécom

Conducting polymers match properties of tissue

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr17

Slide courtesy of Dave Martin (U. Delaware)

Institut Mines‐Télécom

Conducting polymers show mixed conductivity

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr18

J. Rivnay, R.M. Owens, and G.G. Malliaras, Chem. Mater. 26, 679 (2014).

Mixed conductivity leads to novel/state‐of‐the‐art devices

Institut Mines‐Télécom

Conducting polymer microelectrodesrecord single neurons from brain surface

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr19

Institut Mines‐Télécom

Levels of neural interfacing

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr20

schalklab.org

Ultimate resolution

EEG: Network level (~ 1 cm)  

ECoG: Intermediate

sEEG: Single neuron (~ 10 µm)

It was not considered possible to obtain single neuron recordingswithout penetrating the brain

Institut Mines‐Télécom

State‐of‐the‐art ECoG circa 2010

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr21

Rogers group (UIUC)

Institut Mines‐Télécom

Conducting polymers improve neural interfaces

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr22

Work of Martin, Wallace, Inganäs, …

Electrochemical growth on pre‐patterned metal 

electrodes

Institut Mines‐Télécom

Conducting polymers lower interfacial impedance

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr23

Different “nature” of capacitance across the electrode/electrolyte interface

+++++

-----

MetalAu

PEDOT:PSS+

++

+

++

++

+

+-

+

-

-

--

---

--

Polymer

SO3H SO3H SO3H SO3H SO3- SO3H SO3H SO3H

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

+ *

Similar roughness

Institut Mines‐Télécom

Ultra‐conformable PEDOT:PSS microelectrodes

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr24

D. Khodagholy, T. Doublet, M. Gurfinkel, P. Quilichini, E. Ismailova, P. Leleux, T. Herve, S. Sanaur, C. Bernard, and G.G. Malliaras, Adv. Mater. 36, H268 (2011).

Parylene C – 4 μm thickPEDOT:PSS

Institut Mines‐Télécom

Ultra‐conformable ECoG arrays

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr25

w/ Christophe Bernard (INSERM)

50 μm

d=2.2mm

Institut Mines‐Télécom

PEDOT:PSS electrodes outperform Au electrodes

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr26

w/ Christophe Bernard (INSERM)D. Khodagholy, T. Doublet, M. Gurfinkel, P. Quilichini, E. Ismailova, P. Leleux, T. Herve, S. Sanaur, C. Bernard, and G.G. Malliaras, Adv. Mater. 36, H268 (2011).

Auelectrodes

PEDOT:PSSelectrodes

Institut Mines‐Télécom

Detection of single neurons from brain surface

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr27

w/ Dion Khodagholy, György Buzsáki (NYU)D. Khodagholy, J.N. Gelinas, T. Thesen, W. Doyle, O. Devinsky, G.G. Malliaras and G. Buzsáki, Natrure Neurosci. 18, 310 (2015)

10 ms by 50 mV

Electrocorticography in rats

256 electrodes, 10 x 10 μm2 with 30 μm inter‐electrode spacing

Institut Mines‐Télécom

Translation to the clinic

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr28

w/ Dion Khodagholy, György Buzsáki (NYU)D. Khodagholy, J.N. Gelinas, T. Thesen, W. Doyle, O. Devinsky, G.G. Malliaras and G. Buzsáki, Natrure Neurosci. 18, 310 (2015)

500 ms by 500 mV 

20 ms by 40 mV

Acute recordings in human patients

Institut Mines‐Télécom

Organic electrochemical transistors record brain activity with record‐high SNR

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr29

Institut Mines‐Télécom

Field‐effect transistors for neural recordings

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr30

Field‐effect transistor (FET)C’max = 5 μF/cm2

M. Voelker and P. Fromherz, Small 1, 206 (2005).

SiO2

+++++ Vg

IdSi++++

- - - - - - - - -

Fromherz group, MPI

Institut Mines‐Télécom

The organic electrochemical transistor (OECT)

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr31

No insulator between channel and electrolyte

First OECT: H.S. White, G.P. Kittlesen, and M.S. Wrighton, J. Am. Chem. Soc. 106, 5375 (1984).

Institut Mines‐Télécom

Volumetric response of capacitance in PEDOT:PSS

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr32

For d=130 nm:C’ = 500 μF/cm2

100× larger than double layer capacitance

C* = 39 F/cm3

J. Rivnay, P. Leleux, M. Ferro, M. Sessolo, A. Williamson, D.A. Koutsouras, D. Khodagholy, M. Ramuz, X. Strakosas, R.M. Owens, C. Benar, J.‐M. Badier, C. Bernard, and G.G. Malliaras, SCIENCE Advances 1, e1400251 (2015).

Institut Mines‐Télécom

Device model

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr33

dx

V(x)

Vg

cd W dx

Rs

......

Q(x)

D.A. Bernards and G.G. Malliaras, Adv. Funct. Mater. 17, 3538 (2008)

Ionic circuit(electrochemistry)

Electronic circuit(solid state physics)

-- -- -

++

-

+

- -

-

+

+Gate Electrode

+

-

++

++

+ + +

+

+

SO3H SO3H SO3H SO3H SO3- SO3H SO3H SO3H

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

S

O O

+ *

Institut Mines‐Télécom

Characteristics of OECTs

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr34

J. Rivnay, P. Leleux, M. Sessolo, D. Khodagholy, T. Hervé, M. Fiocchi, G. G. Malliaras, Adv. Mater. 25, 7010 (2013).

Institut Mines‐Télécom

High transconductance OECTs

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr35

D. Khodagholy, J. Rivnay, M. Sessolo, M. Gurfinkel, P. Leleux, L.H. Jimison, E. Stavrinidou, T. Herve, S. Sanaur, R.M. Owens, and G.G. Malliaras, Nature Comm. 4, 2133 (2013).

Institut Mines‐Télécom

In vivo recordings using transistors

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr36

w/ Christophe Bernard (INSERM)

Transistor

SNR = 52.7 dB

SNR = 30.2 dB

1 μA

10 mV

1 s

Electrode

D. Khodagholy, T. Doublet, P. Quilichini, M. Gurfinkel, P. Leleux, A. Ghestem, E. Ismailova, T. Herve, S. Sanaur, C. Bernard, and G.G. Malliaras , Nature Comm. 4, 1575 (2013).

Institut Mines‐Télécom

Transistors enable less invasive recordings

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr37

w/ Christophe Bernard (INSERM) D. Khodagholy, T. Doublet, P. Quilichini, M. Gurfinkel, P. Leleux, A. Ghestem, E. Ismailova, T. Herve, S. Sanaur, C. Bernard, and G.G. Malliaras , Nature Comm. 4, 1575 (2013).

Transistor

Surfaceelectrode

Depthelectrode

Institut Mines‐Télécom

Model for OECT operation

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr38

SO3-

SO3-

SO3- SO3

-

SO3-

++

++

++SO3

-

M+

ID=W∙d∙e∙μ∙p(x)∙[dV(x)/dx]

IDp(x)=SO3

‐ – M+(x)

M+(x)=(C*/e)∙[VG – V(x)]

Integrating Id over the length of the channel:

ID=(W∙d/L)∙μ∙C*∙[VT – VG + VD/2]∙VD IDSAT=[W /(2∙L)] ∙d ∙μ∙C*∙[VT – VG]2

VT= e∙SO3‐/C*

Institut Mines‐Télécom

Scaling with geometry

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr39

b

10-5 10-4 10-310-5

10-4

10-3

 (s)

RS C (s)

∙ ∙ ∙ ∗ ∙J. Rivnay, P. Leleux, M. Ferro, M. Sessolo, A. Williamson, D.A. Koutsouras, D. Khodagholy, M. Ramuz, X. Strakosas, R.M. Owens, C. Benar, J.‐M. Badier, C. Bernard, and G.G. Malliaras, SCIENCE Advances1, e1400251 (2015).

Institut Mines‐Télécom

High transconductance means high SNR

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr40

w/ Christian Benar, Jean‐Michel Badier Bernard (INSERM)

J. Rivnay, P. Leleux, M. Ferro, M. Sessolo, A. Williamson, D.A. Koutsouras, D. Khodagholy, M. Ramuz, X. Strakosas, R.M. Owens, C. Benar, J.‐M. Badier, C. Bernard, and G.G. Malliaras, SCIENCE Advances 1, e1400251 (2015).

Institut Mines‐Télécom

Organic electronic ion pumpscontrol epileptiform activity

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr41

Institut Mines‐Télécom

The organic electronic ion pump

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr42

Work at Linkoping University and Karolinska InstituteD. T. Simon, S. Kurup, K. C. Larsson, R. Hori, K. Tybrandt, 

M. Goiny, E. H. Jager, M. Berggren, B. Canlon, and A. Richter‐Dahlfors, Nature Materials 8, 742 (2009).

Institut Mines‐Télécom

Ion pump operation

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr43

-- ---+

++

- -

+ ++++

++

- - - - - -- -

--

--- +

+

+

++

+ +

++

+

PEDOT:PSS PEDOT:PSSPSS

Institut Mines‐Télécom

Ion pump for local delivery in neural networks

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr44

w/ Christophe Bernard (INSERM), Magnus Berggren (Linköping)

Institut Mines‐Télécom

Local delivery of GABA suppress seizure activity

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr45

w/ Christophe Bernard (INSERM), Magnus Berggren (Linköping)

Institut Mines‐Télécom

Local delivery of GABA suppress seizure activity

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr46

w/ Christophe Bernard (INSERM), Magnus Berggren (Linköping)

Institut Mines‐Télécom

Scaling with geometry

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr47

b

10-5 10-4 10-310-5

10-4

10-3

 (s)

RS C (s)

∙ ∙ ∙ ∗ ∙J. Rivnay, P. Leleux, M. Ferro, M. Sessolo, A. Williamson, D.A. Koutsouras, D. Khodagholy, M. Ramuz, X. Strakosas, R.M. Owens, C. Benar, J.‐M. Badier, C. Bernard, and G.G. Malliaras, SCIENCE Advances1, e1400251 (2015).

Institut Mines‐Télécom Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr48

1 10 100 10000.01

0.1

1

10

e (cm

2 /Vs)

C* (F/cm3)

+EG,GOPSPEDOT:PSS 

+EG,GOPSP3HT‐SO3‐

Recent New High‐performer(Iain McCulloch, Imperial)

0% EG

50% EG

5‐10% EG

μC* as the materials figure of merit

S

SOO

O

* n

-(C4H9)4N+

P3HT‐SO3‐

(+EG +GOPS)

μC* = 7.2 F/cmVsμ = 0.05 cm2/VsC* = 144 F/cm3

w/ M. Thelakkat, U. Bayreuth

S. Inal, J. Rivnay, P. Leleux, M. Ferro, M. Ramuz, J.C. Brendel, M. Schmidt, M. Thelakkat, and G.G. Malliaras, Adv. Mater. 26, 7450 (2014).

PEDOT:PSS(+EG, +GOPS)

μC* = 128 F/cmVsμ = 3.3 cm2/VsC* = 39 F/cm3

Such maps provide a way to compare materials as potential 

candidates in OECTs

Institut Mines‐Télécom Department of Bioelectronics – www.bel.emse.fr49

PEDOT:PSS as a champion material

Phase separated morphology

Hole transport in PEDOT‐rich domains, ion transport in PSS matrix

Institut Mines‐Télécom

“Moving front” measurements

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr50

K. Aoki, T. Aramoto and Y. Hoshino, Journal of Electroanalytical Chemistry 340, 127 (1992).T. Johansson, N. K. Persson and O. Inganas, Journal of the Electrochemical Society 151, E119 (2004).

X. Wang and E. Smela, The Journal of Physical Chemistry C 113, 369 (2008).

holesions 2D geometry makes

analysis difficult

Institut Mines‐Télécom

A simple way to measure ion transport

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr51

Glass

Electrolyte PEDOT:PSS Au

Vappl

Dedoped Doped

Barrier

+‐+

++

++ SO3

-

SO3-

SO3-

SO3-

SO3-

SO3-

SO3-

SO3-

SO3-

SO3-

++

++

++

E. Stavrinidou, P. Leleux, H. Rajaona, D. Khodagholy, J. Rivnay, M. Lindau, S. Sanaur, and G.G. Malliaras, Adv. Mater. 25, 4488 (2013).

RI RC

ℓ ∙ ∙

∙ 2 ∙ ∙2

Institut Mines‐Télécom

Ions are highly mobile in PEDOT:PSS

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr52

E. Stavrinidou, P. Leleux, H. Rajaona, D. Khodagholy, J. Rivnay, M. Lindau, S. Sanaur, and G.G. Malliaras, Adv. Mater. 25, 4488 (2013).

K+ mobility in film 

( )

K+ density in film

(cm‐3)

PEDOT:PSS 1.4 ∙ 10 5.9 ∙ 10

PEDOT:PSS :GOPS 1.9 ∙ 10 3.2 ∙ 10

Institut Mines‐Télécom

Linking ion transport and electrode impedance

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr53

E. Stavrinidou, M. Sessolo, B. Winther‐Jensen, S. Sanaur, and G.G. Malliaras, AIP Advances 4, 017127 (2014).

Institut Mines‐Télécom

Open questions

We should leverage our understandingof electronic processes in organics

How do we envision ion injection• Field‐dependence?• Hydrophilicity, hydration?• Connection to mechanical properties?• Dependence on ion size?

What is the optimal material• Balance between crystalline and amorphous domains?• Separate paths of ionic/electronic transport – copolymers?

Characterization in aqueous media

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr54

metal polymer

+‐+

electrolyte

Institut Mines‐Télécom

Conclusions

Organic bioelectronics represents an emerging research direction. 

Conducting polymers are leading to new capabilities for neuroscience:• Non‐invasive, high SNR recordings of brain activity in animal models 

and in the clinic• Localized drug delivery that can stop seizure in in vitromodel

Mixed conductivity of organics a key advantage.

We need to leverage advances in understanding electronic structure & transport to describe mixed conductivity and design better materials.

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr55

Institut Mines‐Télécom

Acknowledgements Neuroengineering team at BEL

Jonathan Rivnay, Sahika Inal, Mary Donahue, Marc Ferro, Dimitris Koutsouras, Thomas Lonjaret, Ilke Uguz, Eloise Bihar, Marcel Brändlein, Shahab Rezaei Mazinani, JolienPas, Esma IsmailovaColleagues @ BEL: Xenofon Strakosas, Roisin Owens

Institute of Systems NeuroscienceAnimal research: Adam Williamson, Attila Kaszas, Christophe Bernard Clinical: Jean‐Michel Badier, Christian Benar

University of Linköping (Sweden)Amanda Jonsson, Loig Kergoat, Daniel Simon, Magnus Berggren

Microvitae TechnologiesPierre Leleux, Thierry Hervé

Other Collaborators Dion Khodagholy, György Buzsáki (NYU), Michele Sessolo (Valencia), Seiichi Takamatsu (AIST), Marc Ramuz (EMSE).

Department of Bioelectronics    – www.bel.emse.fr56

For more information:

Department of Bioelectronics (BEL)

Recommended