Углеродные нанотрубки на электродах улучшают считывание сигналов мозга
Исследовательская группа значительно улучшила качество измерений функций мозга, покрыв металлические нейронные электроды углеродными нанотрубками. Эта работа может позволить учёным больше узнать о заболеваниях мозга, связанных с нарушениями электрических импульсов, таких как болезнь Паркинсона и эпилепсия.
Одно из ограничений современных устройств для записи сигналов мозга — сами электроды. Они обладают естественным сопротивлением электрическому току (импедансом), что снижает их способность давать чувствительные показания. Импеданс также делает устройства менее эффективными при подаче заряда для стимуляции активности клеток мозга через нейроны в культуре.
Покрытие электродов углеродными нанотрубками, обладающими превосходными электрическими свойствами, решает обе проблемы. Это обнаружили Эдвард Кифер из Медицинской школы Юго-Западного Техасского университета и его коллеги из Детской больницы Texas Scottish Rite, Университета Вандербильта и Университета Северного Техаса.
«Модуляция активности мозга для облегчения симптомов растущего числа заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, депрессия и эпилепсия, стала методом выбора, когда все другие варианты не срабатывают. Интерфейс между клетками мозга и поверхностью имплантированного электрода определяет, работают ли эти методы лечения. Покрывая поверхности электродов углеродными нанотрубками, мы можем улучшить эффективность этого клеточно-электродного интерфейса в тысячу раз или даже больше», — заявил Кифер.
Он сравнил улучшение от нанотрубок со стандартными электродами с разницей между просмотром любимой передачи на 13-дюймовом чёрно-белом телевизоре со сломанной антенной и на новой 60-дюймовой HD-модели со спутниковой связью.
«Для электрофизиолога именно такую разницу покрытые нанотрубками электроды вносят в то, что мы видим на наших осциллографах», — сказал он.
Испытанные электроды были коммерческими, изготовленными из вольфрама и нержавеющей стали, тонкими и острыми. На двух моделях животных — моторной коре крыс под анестезией и зрительной коре бодрствующих обезьян-макак резус — группа сравнила показания с покрытого нанотрубками и непокрытого электродов.
В обоих случаях покрытые электроды давали гораздо лучшие показания. Производительность дополнительно улучшилась при использовании покрытия из комбинации углеродных нанотрубок и проводящего полимерного материала.
Кроме того, снимки сканирующего электронного микроскопа показали, что покрытие на электродах, использованных для обезьян, не было повреждено жёстким внешним слоем мозга — твёрдой мозговой оболочкой.
Помимо производительности, покрытые электроды имеют другие преимущества. Свойства металлических электродов, используемых в других приложениях (например, в электронике), уже хорошо изучены, а нанотрубки демонстрируют хорошую биосовместимость. Например, учёные успешно использовали подложки из углеродных нанотрубок в качестве основы для роста нейронов.
Электроды с покрытием из нанотрубок совместимы с существующими интерфейсами «мозг-компьютер», поэтому для их использования не потребуется разработки нового оборудования.
Несмотря на успешные испытания, такие электроды ещё не готовы для применения у людей. Предстоит многое изучить, в том числе, как покрытые электроды ведут себя при длительном контакте с нервной тканью.
Цитирование: Keefer, E. W., Botterman, B. R., Romero, M. I., Rossi, A. F. & Gross, G. W. Nature Nanotech. 3, 434-439 (2008).