Ученые создали новые 3D-нейрозонды на основе киригами
Исследовательская группа из Института обработки биологической информации (IBI-3) в Forschungszentrum Jülich совместно с партнерами разработала инновационную технику сворачивания гибких микроэлектродов высокой плотности в трехмерные структуры, вдохновленные японским искусством киригами.
Киригами — это разновидность оригами, которая включает не только складывание, но и разрезание бумаги, что позволяет создавать сложные 3D-конструкции из плоской поверхности без клея.
Это достижение позволяет регистрировать активность мозга не только на поверхности, но и в глубине нейронной ткани. Технология перспективна для нейронауки и, в долгосрочной перспективе, для медицинских нейротехнологий. Результаты опубликованы в Advanced Materials.
От плоской пленки к 3D-интерфейсу для мозга
Так называемые 3D-микроэлектродные массивы (MEAs) созданы из ультратонких гибких полимерных пленок. С помощью специальной техники термического формования "matched-die forming" пленкам придается форма вертикальных самостоятельных структур. Каждая из них тоньше человеческого волоса, оснащена несколькими электродами и способна одновременно записывать электрические сигналы из разных слоев мозга.
"В отличие от предыдущих методов, наш подход позволяет нам сложить до 128 таких структур за один раз — эффективно, надежно и без токсичных материалов или сложных этапов изготовления", — объясняет Мари Юнг, ведущий автор исследования.
Техника не только проста, но и масштабируема — что является важной вехой на пути к клиническому применению в нейротехнологиях.
Киригами в микрометровом масштабе
Традиционные 3D MEAs обычно основаны на жестких материалах, таких как кремний, или требуют сложного ручного складывания. Новый подход использует гибкие биосовместимые материалы, сводя к минимуму риск нежелательной реакции ткани. Команда применяет полимерную пленку толщиной в несколько микрометров — гибкую, как пищевая пленка, но достаточно прочную, чтобы функционировать как зонд для мозга. Помещенная между парой специальных пресс-форм, плоская структура преобразуется в окончательную 3D-форму с помощью тепла и давления.
"Меня продолжает удивлять, насколько хорошо техника, разработанная для макроскопического формования, может быть уменьшена для точной работы на микроскопическом уровне. Наши структуры достаточно устойчивы, чтобы выдержать как механический стресс при имплантации, так и биологическую среду", — говорит Вивиана Ринкон Монтес, автор-корреспондент.
От лабораторного стола к живому мозгу
Команда провела лабораторные испытания зондов для оценки их электрохимических характеристик, точности складывания и механической долговечности. Затем их испытали на срезах мозга пациентов с эпилепсией и на живых мышах. Зонды успешно регистрировали сигналы как на поверхности, так и в глубине мозга — включая эпилептиформную активность в человеческой ткани и сенсорные реакции на прикосновение и свет у животных.
Благодаря высокому пространственному разрешению, одноэтапному процессу имплантации и гибкости, технология считается особенно перспективной для интерфейсов "мозг-компьютер" и будущих терапевтических применений.
Взгляд в будущее: медицинские применения
В долгосрочной перспективе эта технология может помочь в создании зрительных протезов и других нейротехнологических инноваций. Большое количество интегрированных электродов позволяет не только детально записывать сигналы мозга, но и делает возможной целевую стимуляцию — например, в сетчатке или зрительной коре.
"Сейчас мы работаем над дальнейшей оптимизацией покрытия электродов и миниатюризацией схем. Наша цель — создать имплант, который будет как можно меньше, легче и эффективнее, и сможет надежно считывать все 512 электродов или более", — говорит Ринкон Монтес.
До клинического применения еще далеко, но эта работа закладывает прочный фундамент, сочетая передовые технологии с точным мастерством в микроскопическом масштабе.