Ваш мозг на сетке: Инъекционный гибкий зонд сливается с нейронами и вызывает минимальный или нулевой хронический иммунный ответ
Нейропротезы и внутритканевые имплантаты приносят пользу в исследованиях и терапии (болезни Альцгеймера, Паркинсона, эпилепсия и др.). Однако у современных нейроимплантатов есть недостатки: воспаление тканей из-за микродвижений устройства, проблемы с долговечностью, необходимость удаления и высокое энергопотребление.
Ученые из Гарвардского университета успешно имплантировали нейроморфный сверхгибкий зонд в виде открытой сетки, который доставляется в конкретные области мозга через инъекцию шприцем (протокол 2015 года в Nature Nanotechnology).
Ключевые особенности зонда:
- Не требует источника питания — напрямую записывает изменения нейронного напряжения.
- Интерфейс — от отдельных нейронов до сетей. Запись ведется через электроды сетки, соединенные пассивированными металлическими линиями с контактными площадками, которые подключены к внешней системе.
- Реакция ткани — систематические пост-имплантационные исследования показали минимальный или отсутствующий нейроиммунный ответ. Ткань мозга проникла и слилась с сеткой зонда.
- Долговечность — имплантат, возможно, никогда не потребует удаления. Ученые считают, что уникальная стабильность и отсутствие хронического иммунного ответа могут привести к смене парадигмы, где зонд становится пожизненным имплантатом.
Дизайн и изготовление:
Зонды изготовлены методом стандартной фотолитографии с использованием биосовместимого полиимида в трехслойной структуре:
- Нижняя сетевая структура (~400 нм).
- Металлические межсоединения, контактные площадки и электроды (~100 нм).
- Верхний слой полиимида, инкапсулирующий металл (кроме площадок и электродов). Общая толщина структуры <1 мкм.
Нейроморфная природа зонда обусловлена этим дизайном, свойствами полиимида и открытой 3D-структурой сетки после имплантации, что делает его похожим на нейронные сети мозга.
Исследование иммунного ответа:
Чтобы охарактеризовать взаимодействие ткани и сетки, мозг мышей с имплантированными зондами нарезали на горизонтальные (поперечные срезы зонда) и сагиттальные (почти весь зонд) срезы. Их окрашивали антителами к нейронным сомам, аксонам, астроцитам и микроглии.
Результаты:
- Нейронные сомы и аксоны вокруг зондов сетки не были повреждены.
- Маркеры иммунного ответа (астроциты и микроглия) показали, что их уровень возвращается к фоновому уже через несколько недель для mesh-электроники, но накапливается на границе с обычными зондами.
- Способность нейронов и сетки к взаимопроникновению оказалась универсальной для всех имплантированных сеток (исследования через 6–12 недель).
Ученые подчеркивают, что, по их мнению, иммунного ответа на саму сетку нет. Наблюдаемая начальная реакция связана с острым повреждением от введения иглы (как и для любого зонда), которое со временем полностью заживает, в отличие от реакции на обычные зонды.
Перспективы и применение:
- Долгосрочная стабильность подтверждена на протяжении 1–2 лет у грызунов, ожидается большая в исследованиях на приматах.
- Срок службы должен определяться только биосовместимостью и долговечностью материалов (инертные золото и платина, стабильный пассивирующий полимер).
- Будущие шаги: новые дизайны с большим числом электродов, имплантация в другие ткани (глаз, спинной мозг, мышцы), исследования на моделях болезней Альцгеймера и Паркинсона, работа с приматами и пациентами.
- Потенциальные области применения: интерфейсы "мозг-компьютер" для пациентов с тетраплегией, глубокая стимуляция мозга при болезни Паркинсона, нейропротезирование, изучение нейродегенеративных заболеваний и старения.