Гибкие наноэлектроды для точной стимуляции мозга
Обычные имплантируемые устройства для стимуляции мозга часто слишком жесткие и громоздкие для одной из самых мягких и деликатных тканей организма.
Инженеры Университета Райса разработали минимально инвазивные, сверхгибкие наноэлектроды, которые могут служить имплантируемой платформой для долгосрочной высокоточной стимуляционной терапии.
Согласно исследованию, опубликованному в Cell Reports, крошечные имплантируемые устройства сформировали стабильные, долговечные и бесшовные интерфейсы «ткань-электрод» с минимальным рубцеванием или деградацией у грызунов. Устройства доставляли электрические импульсы, которые больше соответствуют паттернам и амплитудам нейрональной сигнализации, чем стимулы от обычных внутрикорковых электродов.
Высокая биосовместимость устройств и точный пространственно-временной контроль стимула могут позволить разработать новые методы стимуляции мозга, такие как нейронные протезы для пациентов с нарушенными сенсорными или моторными функциями.
«Наша работа с помощью визуализации, поведенческих и гистологических методов показывает, как эти интегрированные в ткань электроды повышают эффективность стимуляции», — сказал Лан Луань, соавтор исследования. — «Наш электрод доставляет крошечные электрические импульсы для возбуждения нейронной активности очень контролируемым образом.
Мы смогли уменьшить ток, необходимый для активации нейронов, более чем на порядок. Импульсы могут быть длительностью всего в пару сотен микросекунд и амплитудой в один или два микроампера».
Новый дизайн электрода, разработанный в рамках инициативы Rice Neuroengineering Initiative, представляет собой значительное улучшение по сравнению с обычными имплантируемыми электродами, используемыми для лечения таких состояний, как болезнь Паркинсона, эпилепсия и обсессивно-компульсивное расстройство, которые могут вызывать неблагоприятные тканевые реакции и нежелательные изменения нейронной активности.
«Обычные электроды очень инвазивны. Они активируют тысячи или даже миллионы нейронов одновременно», — сказал Чонг Се, соавтор исследования. — «Каждый из этих нейронов должен иметь свою собственную "настройку" и координироваться в определенном паттерне. Но когда вы стимулируете их всех одновременно, вы фактически нарушаете их функцию».
Се сравнил стимуляцию с помощью обычных электродов с разрушительным эффектом «гудка в ухо каждому или громкоговорителя, орущего» в комнате, полной людей. «Раньше у нас был один очень большой громкоговоритель, а теперь у каждого есть наушник».
Возможность регулировать частоту, продолжительность и интенсивность сигналов может позволить создать новые сенсорные протезные устройства.
«Активация нейронов более диффузная, если использовать больший ток», — сказал Луань. — «Мы смогли уменьшить ток и показали, что имеем гораздо более сфокусированную активацию. Это может привести к созданию устройств стимуляции с более высоким разрешением».
Луань и Се также сотрудничают в разработке имплантируемого зрительного протезного устройства для слепых пациентов. «Представьте, что однажды можно будет имплантировать массивы электродов для восстановления нарушенной сенсорной функции: чем более сфокусированной и целенаправленной является активация нейронов, тем точнее генерируемое ощущение».
Более ранняя версия устройств использовалась для записи мозговой активности. «Серия наших публикаций показывает, что эта интимная интеграция в ткань, обеспечиваемая сверхгибким дизайном нашего электрода, действительно улучшает нашу способность записывать активность мозга в течение более длительных периодов и с лучшим соотношением сигнал/шум», — сказал Луань.