Этот мозговой имплантат меньше, чем рисовое зернышко.
Сегодняшние нейронные имплантаты меньше, чем когда-либо, но часто остаются громоздкими и склонными к осложнениям. По мнению исследователей из Корнельского университета, новая итерация, подробно описанная на этой неделе в журнале «Nature Electronics», может предложить новый путь для имплантатов мозга. Достаточно маленький, чтобы поместиться на зерне риса, микромасштабный оптоэлектронный безцепочечный электрод (или MOTE) значительно меньше, чем аналогичные имплантаты, и его конструкция может быть адаптирована для работы в других деликатных областях тела.
«Насколько нам известно, это самый маленький нейронный имплантат, который будет измерять электрическую активность в мозге, а затем сообщать об этом по беспроводной сети», — сказал инженер-электрик и соавтор исследования Алеша Молнар.
MOTE измеряет только 300 микрон в длину и 70 микрон в ширину, или около ширины одного человеческого волоса. Он работает, кодируя нервные сигналы в небольших импульсах инфракрасного света, прежде чем отправлять информацию безвредно через ткани мозга и кости к приемнику. Хотя Молнар впервые предвидел раннюю итерацию MOTE в 2001 году, потребовалось бы более двух десятилетий, прежде чем проект действительно сошел с земли.
Он и его коллеги разработали имплантат, чтобы полагаться на полупроводниковый диод, изготовленный из арсенида алюминия галлия. Этот материал позволяет ему собирать световую энергию для питания, а также излучать свет для отправки данных. Диод поддерживается усилителем с низким уровнем шума и оптическим кодером с использованием тех же принципов передачи, которые видны в стандартных микрочипах. Передача данных осуществляется посредством модуляции положения импульса — та же технология, которая видна во многих спутниковых оптических коммуникационных массивах.
«Мы можем использовать очень мало энергии для связи и все еще успешно получать данные обратно оптически», — сказал Молнар.
Команда первоначально протестировала MOTE в выращенных в лаборатории клеточных культурах, прежде чем перейти на мышей. Для испытаний они имплантировали устройство в кору грызунов, область мозга эволюционировала для обработки сенсорного ввода от усов. Более года MOTE надежно регистрировал всплески нейронной активности наряду с более широкими синаптическими действиями как с активными, так и со здоровыми мышами.
Одним из основных недостатков большинства современных имплантатов головного мозга является то, что они не могут функционировать, когда пациент подвергается электрическому мониторингу, как во время МРТ. Однако MOTE изготовлен из материалов, которые позволяют ему полностью обойти эту проблему. Его беспроводные возможности также решают еще одну повторяющуюся проблему для имплантатов.
«Одна из причин этого заключается в том, что традиционные электроды и оптические волокна могут раздражать мозг. Ткань движется вокруг имплантата и может вызвать иммунный ответ, — сказал Молнар. — Наша цель состояла в том, чтобы сделать устройство достаточно маленьким, чтобы минимизировать нарушение, при этом захватывая активность мозга быстрее, чем системы визуализации, и без необходимости генетически модифицировать нейроны для визуализации».
Последствия выходят за рамки мониторинга мозга. Команда Молнара уверена, что основной дизайн MOTE может позволить адаптировать его для других тканей, даже в таких чувствительных областях, как спинной мозг. Он также может использоваться, если встроен в искусственные черепные пластины.
«Наша технология обеспечивает основу для доступа к широкому спектру физиологических сигналов с помощью небольших и несвязанных инструментов, имплантированных в хронические временные рамки», — заключили авторы исследования.
