Новые сверхгибкие зонды надежно интегрируются с мозгом без образования рубцов

Инженеры-исследователи из Техасского университета в Остине разработали сверхгибкие наноэлектронные нитевидные (NET) зонды для мозга, которые обеспечивают более надежную долгосрочную запись нейронной активности, чем существующие аналоги, и не вызывают образования рубцов при имплантации. Результаты исследования опубликованы 15 февраля в журнале Science Advances.

Команда под руководством Чонга Се, доцента кафедры биомедицинской инженерии, и Лана Луана, научного сотрудника, создала зонды, механическая податливость которых приближается к таковой у ткани мозга. Эти зонды более чем в 1000 раз гибче других нейронных зондов. Эта сверхгибкость улучшает способность надежно записывать и отслеживать электрическую активность отдельных нейронов в течение длительного времени. Такое долгосрочное отслеживание важно для нейроинтерфейсов, например, для считывания сигналов управления протезами у пациентов с ампутациями, а также для наблюдения за развитием нейрососудистых и нейродегенеративных заболеваний, таких как инсульт, болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Проблема обычных зондов — их размер и механическая жесткость, которые часто вызывают повреждения окружающей ткани. Кроме того, хотя такие электроды могут записывать активность мозга месяцами, сигнал часто становится ненадежным и ухудшается. Отслеживать отдельные нейроны с их помощью дольше нескольких дней — сложная задача.

В отличие от них, электроды команды из Остина достаточно гибкие, чтобы соответствовать микродвижениям ткани, оставаясь на месте. Малый размер зонда также значительно уменьшает смещение ткани, что обеспечивает более стабильный интерфейс с мозгом и более надежные долгосрочные показания. По данным исследователей, зонд UT Austin — самый маленький среди всех нейронных зондов: толщина менее 1 микрона, размер около 10 микрон, а поперечное сечение составляет лишь долю от размера нейрона или кровеносного капилляра.

"В нашем исследовании мы доказали, что можем подавить реакцию ткани, сохраняя стабильную запись, — сказал Се. — В нашем случае, поскольку электроды очень и очень гибкие, мы не видим никаких признаков повреждения мозга: нейроны оставались живыми даже в контакте с NET-зондами, глиальные клетки оставались неактивными, а сосудистая сеть не становилась проницаемой".

Эксперименты на моделях мышей показали, что гибкость и размер зонда предотвращают активацию глиальных клеток — обычной биологической реакции на инородное тело, которая приводит к рубцеванию и потере нейронов.

"Самое удивительное в нашей работе то, что живая ткань мозга, биологическая система, действительно не против присутствия искусственного устройства в течение многих месяцев", — отметил Луан.

Совместно с профессором биомедицинской инженерии Эндрю Данном и нейробиологами Рэймондом Читвудом и Дженни Сигел из Института нейробиологии UT Austin исследователи использовали передовые методы визуализации. Они подтвердили, что нейронный интерфейс на основе NET не деградировал в модели мыши на протяжении более четырех месяцев экспериментов.

Исследователи планируют продолжить тестирование зондов на животных моделях и надеются в конечном итоге перейти к клиническим испытаниям. Финансирование работы осуществлялось за счет грантов UT BRAIN seed grant program, Министерства обороны и Национальных институтов здравоохранения (NIH).