Исследователи создают прозрачный нейронный имплантат на основе графена, позволяющий получать данные об активности мозга в высоком разрешении с поверхности. Плотный набор крошечных графеновых электродов имплантата позволяет одновременно регистрировать электрическую и кальциевую активность в глубоких слоях мозга.
Новый имплантат даст новые знания для нейробиологических исследований. Прозрачный дизайн позволяет получать оптические изображения наряду с электрической записью, что совершает революцию в исследованиях в области нейробиологии.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California San Diego) разработали нейронный имплант, который предоставляет информацию об активности глубоко внутри мозга, находясь на его поверхности.
Имплантат состоит из тонкой, прозрачной и гибкой полимерной полоски, заполненной плотным набором графеновых электродов.
Технология, протестированная на трансгенных мышах, приближает исследователей на шаг к созданию минимально инвазивного интерфейса мозг-компьютер (BCI), который предоставляет данные высокого разрешения о глубокой нейронной активности с использованием записей с поверхности мозга.
Работа была опубликована в научном журнале Nature Nanotechnology.
«С помощью этой технологии мы расширяем пространственный охват нейронных записей», — комментирует автор исследования Дуйгу Кузум (Duygu Kuzum), профессор кафедры электротехники и вычислительной техники инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.
«Несмотря на то, что наш имплант находится на поверхности мозга, его конструкция выходит за пределы физического восприятия, поскольку он может определять нейронную активность из более глубоких слоев».
Эта работа преодолевает ограничения современных технологий нейронных имплантатов. Например, существующие поверхностные массивы минимально инвазивны, но им не хватает способности захватывать информацию за пределами внешних слоев мозга.
Напротив, электродные массивы с тонкими иглами, проникающими в мозг, способны изучать более глубокие слои, но они часто приводят к воспалению и рубцеванию, что со временем ухудшает качество сигнала.
Новый нейронный имплантат, разработанный в Калифорнийском университете в Сан-Диего, сочетает в себе лучшее из обоих миров.
Имплантат представляет собой тонкую, прозрачную и гибкую полимерную полоску, повторяющую форму поверхности мозга. В полоску встроен массив крошечных круглых графеновых электродов высокой плотности, каждый диаметром 20 микрометров. Каждый электрод соединен графеновой проволокой толщиной в микрометр с печатной платой.
В ходе испытаний на трансгенных мышах имплантат позволил исследователям одновременно получать информацию с высоким разрешением о двух типах нейронной активности — электрической активности и активности кальция. При размещении на поверхности мозга имплантат записывал электрические сигналы от нейронов внешних слоев.
В то же время исследователи использовали двухфотонный микроскоп, чтобы пропустить лазерный свет через имплантат и получить изображение шипов кальция в нейронах, расположенных на глубине до 250 микрометров под поверхностью. Исследователи обнаружили корреляцию между поверхностными электрическими сигналами и выбросами кальция в более глубокие слои.
Эта корреляция позволила исследователям использовать поверхностные электрические сигналы для обучения нейронных сетей прогнозированию активности кальция — не только для больших популяций нейронов, но и для отдельных нейронов — на различной глубине.
«Модель нейронной сети обучена изучать взаимосвязь между поверхностными электрическими записями и активностью ионов кальция в нейронах на глубине», — добавляет Кузум. «Как только он изучит эту взаимосвязь, мы сможем использовать модель для прогнозирования глубинной активности с поверхности».
Преимущество возможности прогнозировать активность кальция по электрическим сигналам заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения экспериментов по визуализации. При визуализации шипов кальция голову субъекта необходимо фиксировать под микроскопом. Кроме того, эти эксперименты могут длиться только час или два за раз.
«Поскольку электрические записи не имеют этих ограничений, наша технология позволяет проводить более продолжительные эксперименты, в которых субъект может свободно передвигаться и выполнять сложные поведенческие задачи», — добавляет соавтор исследования Мехрдад Рамезани (Mehrdad Ramezani). «Это может обеспечить более полное понимание нейронной активности в динамических сценариях реального мира».
Проектирование и изготовление нейронного имплантата
Технология обязана своим успехом нескольким инновационным конструктивным особенностям: прозрачности и высокой плотности электродов в сочетании с методами машинного обучения.
«Это новое поколение прозрачных графеновых электродов, встроенных в высокую плотность, позволяет нам измерять нейронную активность с более высоким пространственным разрешением», — объясняет Кузум.
«В результате качество сигналов значительно улучшается. Что делает эту технологию еще более примечательной, так это интеграция методов машинного обучения, которые позволяют предсказывать глубокую нейронную активность по поверхностным сигналам».
Прозрачность — одна из ключевых особенностей этого нейронного имплантата. В традиционных имплантатах в качестве электродов и проводов используются непрозрачные металлические материалы, которые блокируют обзор нейронов под электродами во время экспериментов по визуализации. Напротив, имплантат, изготовленный с использованием графена, прозрачен, что обеспечивает полностью четкое поле зрения для микроскопа во время экспериментов по визуализации.
«Бесшовная интеграция записи электрических сигналов и одновременной оптической визуализации нейронной активности возможна только с помощью этой технологии», — заключает Кузум. «Возможность проводить оба эксперимента одновременно дает нам более релевантные данные, потому что мы можем видеть, как эксперименты по визуализации связаны по времени с электрическими записями».
Чтобы сделать имплантат полностью прозрачным, исследователи использовали сверхтонкие длинные графеновые провода вместо традиционных металлических проводов для подключения электродов к печатной плате. Однако изготовление одного слоя графена в виде тонкой и длинной проволоки является сложной задачей, поскольку любой дефект сделает проволоку нефункциональной.
Авторы другого исследования утверждают, что надувные спинномозговые имплантаты помогут при сильной боли
Невролог, мануальный терапевт, рефлексотерапевт АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), редактор и автор статей
Ведёт пациентов неврологического профиля с полным неврологическим осмотром, разработкой плана обследования и схемы лечения пациента (в остром периоде, на этапе реабилитации), динамическое наблюдение.
