Прозрачный мозговой имплант считывает активность глубоких нейронов с поверхности
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали нейронный имплант, который, находясь на поверхности мозга, предоставляет информацию об активности в его глубинных слоях. Имплант представляет собой тонкую, прозрачную и гибкую полимерную полоску с плотным массивом графеновых электродов. Технология, протестированная на трансгенных мышах, приближает создание малоинвазивного интерфейса "мозг-компьютер" (BCI), способного получать высокодетальные данные о глубокой нейронной активности с поверхности.
Работа опубликована в Nature Nanotechnology.
Новая разработка преодолевает ограничения существующих технологий. Поверхностные массивы малоинвазивны, но не могут улавливать информацию за пределами внешних слоёв. Массивы с иглами, проникающими в мозг, способны зондировать глубже, но часто вызывают воспаление и рубцевание, ухудшая качество сигнала со временем.
Имплант из UCSD сочетает преимущества обоих подходов:
- Конструкция: Тонкая, прозрачная, гибкая полимерная полоска, повторяющая поверхность мозга.
- Электроды: Высокоплотный массив крошечных круглых графеновых электродов диаметром 20 микрометров.
- Провода: Соединены с платой микрометровыми графеновыми проводами.
В тестах на мышах имплант позволил одновременно захватывать два типа нейронной активности:
- Электрическую активность нейронов внешних слоёв с поверхности.
- Кальциевую активность нейронов на глубине до 250 микрометров, визуализируемую через прозрачный имплант с помощью двухфотонного микроскопа.
Исследователи обнаружили корреляцию между поверхностными электрическими сигналами и глубинными кальциевыми спайками. Это позволило использовать поверхностные электрические сигналы для обучения нейронных сетей предсказанию кальциевой активности — как для больших популяций нейронов, так и для отдельных клеток на разной глубине.
Ключевые инновации:
- Прозрачность: Графеновые электроды и провода не блокируют обзор, позволяя одновременно проводить электрическую запись и оптическую визуализацию.
- Высокая плотность электродов: Самый плотный массив прозрачных электродов на поверхностном импланте на сегодня.
- Машинное обучение: Модели предсказывают глубинную активность по поверхностным сигналам.
Решение технических проблем:
- Графеновые провода: Чтобы избежать обрывов из-за дефектов, провода изготавливали двухслойными, легированными азотной кислотой.
- Импеданс мелких электродов: Для улучшения проводимости крошечных графеновых электродов на них осаждали наночастицы платины.
Преимущества подхода:
- Позволяет проводить длительные эксперименты, где подопытное животное свободно перемещается, в отличие от ограниченных по времени опытов с визуализацией кальция, требующих фиксации головы под микроскопом.
Следующие шаги: Тестирование технологии на других животных моделях с целью последующей адаптации для человека. Технология уже передаётся в лаборатории США и Европы для фундаментальных нейробиологических исследований.