Углеродные нанотрубные волокна — превосходная связь с мозгом

Углеродные нанотрубные волокна, созданные в Университете Райса, могут стать лучшим способом для прямой коммуникации с мозгом.

Волокна доказали своё превосходство над металлическими электродами для глубокой стимуляции мозга и считывания сигналов нейронных сетей. Поскольку они обеспечивают двустороннюю связь, они перспективны для лечения пациентов с неврологическими расстройствами с одновременным мониторингом реакции нейронных цепей в областях, контролирующих движение, настроение и функции организма.

Новые эксперименты в Райсе показали, что биосовместимые волокна являются идеальными кандидатами для небольших, безопасных электродов, взаимодействующих с нейронной системой мозга. Они могут заменить гораздо более крупные электроды, используемые в настоящее время в устройствах для терапии глубокой стимуляции мозга у пациентов с болезнью Паркинсона.

Они также могут способствовать развитию технологий для восстановления сенсорных или моторных функций, интерфейсов «мозг-компьютер», а также терапии глубокой стимуляции мозга при других неврологических расстройствах, включая дистонию и депрессию.

Статья была опубликована на этой неделе в журнале Американского химического общества ACS Nano.

Волокна, созданные лабораторией химика и химического инженера Маттео Паскуали, состоят из пучков длинных нанотрубок, изначально предназначенных для аэрокосмических применений, где важны прочность, вес и проводимость.

Отдельные нанотрубки имеют ширину всего в несколько нанометров, но когда миллионы из них собираются в пучок с помощью процесса мокрого прядения, они становятся нитевидными волокнами толщиной примерно в четверть человеческого волоса.

«Мы разработали эти волокна как материалы с высокой прочностью и проводимостью, — сказал Паскуали. — Однако, получив их в руки, мы поняли, что у них есть неожиданное свойство: они действительно мягкие, почти как шёлковая нить. Их уникальное сочетание прочности, проводимости и мягкости делает их идеальными для взаимодействия с электрической функцией человеческого тела».

Исследование стало возможным благодаря совместной работе с Калебом Кемере, доцентом Райса, экспертом по животным моделям болезни Паркинсона, и ведущим автором Флавией Витале, научным сотрудником в лаборатории Паскуали.

«Мозг по консистенции похож на пудинг и плохо взаимодействует с жёсткими металлическими электродами, — сказал Кемере. — Мечта — иметь электроды с такой же консистенцией, и именно поэтому мы так воодушевлены этими гибкими углеродными нанотрубными волокнами и их долгосрочной биосовместимостью».

Многонедельные тесты на клетках, а затем на крысах с симптомами Паркинсона доказали, что волокна стабильны и так же эффективны, как коммерческие платиновые электроды, при значительно меньшем размере. Мягкие волокна вызывали слабое воспаление, что помогало поддерживать прочную электрическую связь с нейронами, предотвращая рубцевание и инкапсуляцию места имплантации защитными системами организма.

Высокопроводящие углеродные нанотрубные волокна также демонстрируют гораздо более благоприятный импеданс (качество электрического соединения), чем современные металлические электроды, обеспечивая лучший контакт при более низких напряжениях в течение длительного времени.

Рабочий конец волокна — это открытый кончик, шириной примерно с нейрон. Остальная часть заключена в трёхмикронный слой гибкого биосовместимого полимера с отличными изоляционными свойствами.

Сложность заключается в размещении кончиков. «Это действительно вопрос наличия карты мозга и очень аккуратной регулировки электродов во время эксперимента для попадания в нужное место», — сказал Кемере.

Волокна могут упростить имплантацию, поскольку они одновременно отправляют и принимают сигналы, отметила Витале. Это может привести к созданию саморегулирующихся терапевтических устройств.

«Но наша технология позволяет вести запись во время стимуляции, — сказала Витале. — Современные электроды могут только стимулировать ткань. Они слишком велики, чтобы обнаруживать спайковую активность, поэтому клинические устройства посылают непрерывные импульсы независимо от ответа мозга».

Кемере предвидит создание замкнутой системы, которая может считывать нейронные сигналы и адаптировать стимулирующую терапию в реальном времени. Он предполагает создание устройства со множеством индивидуально адресуемых электродов для точного контроля над стимуляцией и мониторингом.

«Интересно, что проводимость — не самое важное электрическое свойство нанотрубных волокон, — сказал Паскуали. — Эти волокна по своей природе пористые и чрезвычайно стабильные, что является большим преимуществом перед металлическими электродами для регистрации электрохимических сигналов и поддержания производительности в течение длительного времени».