Мягкий биоэлектронный сенсорный имплантат считывает глубокую активность мозга

Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвине и Колумбийского университета в Нью-Йорке встроили транзисторы в мягкий, податливый материал, чтобы создать биосовместимый сенсорный нейронный имплантат, который отслеживает неврологические функции на последовательных этапах развития мозга пациента.

В статье, опубликованной в Nature Communications, ученые описывают имплантат, который предоставляет информацию деятельности глубоко внутри мозга, находясь при этом на его поверхности. Имплантат состоит из тонкой, прозрачной и гибкой полимерной полосы с плотным массивом графеновых электродов.

В стандартной биоэлектронике дополнительные транзисторы состоят из разных материалов для учета разной полярности сигналов, которые, помимо того, что являются неподатливыми и громоздкими, представляют риск токсичности при имплантации в чувствительные области. Исследователи из Калифорнийского университета и Колумбийского университета решили эту проблему, создав транзисторы асимметричным образом, что позволяет управлять ими с использованием единого биосовместимого материала.

«Передовую электронику разрабатывают уже несколько десятилетий, поэтому существует большое хранилище доступных схемных решений. Проблема в том, что большинство этих технологий на транзисторах и усилителях несовместимы с нашей физиологией», - говорит соавтор исследования Дион Ходагхоли, профессор факультета электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Ирвине, - «Мы использовали органические полимерные материалы, которые по своей сути ближе к нам биологически, и они взаимодейсвуют с ионами, потому что язык мозга и тела ионный, а не электронный».

Имплантат представляет собой тонкую, прозрачную и гибкую полимерную полоску, которая соответствует поверхности мозга. Полоса встроена в массив крошечных круговых графеновых электродов высокой плотности, диаметр каждого составляет 20 микрометров. Каждый электрод соединен микрометровым графеновым проводом с печатной платой.

«Проектируя устройства с асимметричными контактами, мы можем контролировать расположение легирующих элементов в канале и переключать фокус с отрицательного потенциала на положительный. Такой подход к проектированию позволяет нам изготовить дополнительное устройство из одного материала», - рассказывает первый автор проекта Дункан Вишневски из Колумбийского университета.

Ученый отмечает, что компоновка транзисторов в меньший по размеру однополимерный материал значительно упрощает процесс изготовления, обеспечивая крупномасштабное производство и возможности для расширения технологии за пределы первоначального применения в неврологии практически до любого биопотенциального процесса.

Ходагхоли, возглавляющий лабораторию трансляционной нейроэлектроники Калифорнийского университета в Ирвине, добавляет, что дополнительным преимуществом устройства является масштабируемость: «Можно создавать устройства разных размеров и при этом сохранять взаимодополняемость, и вы даже можете менять материал, что делает это новшество применимым в различных ситуациях».

В тестах на трансгенных мышах имплантат позволил исследователям одновременно получить информацию с высоким разрешением о двух типах нейронной активности — электрической и активности кальция. При размещении на поверхности мозга устройство регистрировало электрические сигналы от нейронов во внешних слоях. Ученые использовали двухфотонный микроскоп, чтобы просветить лазерный свет через имплантат. Им удалось наблюдать шипы кальция из нейронов, расположенные на глубине до 250 микрометров под поверхностью.На основе собранных данных исследователи обучили нейронную сеть прогнозировать высвобождение кальция в мозге на разной глубине.

Еще одно преимущество, отмеченное в статье, заключается в том, что устройство может быть имплантировано развивающемуся животному и выдерживать изменения в тканевых структурах по мере роста организма, что невозможно при использовании твердых имплантатов на основе кремния.

«Эта характеристика делает устройство особенно полезным в педиатрии», - сказала соавтор Дженнифер Гелинас, адъюнкт-профессор анатомии и нейробиологии Калифорнийского университета в Ирвине и врач Детской больницы округа Ориндж.

Марина КЫН