Ученые создали сверхтонкие имплантаты для мозга, выполняющие сразу три функции

Ученые из Датского технического университета, Копенгагенского университета, University College London и других учреждений разработали сверхтонкие мозговые электроды, сочетающие несколько функций в одном устройстве. Об этом пишет Sciencedaily.

Как работает новый имплантат для мозга?

Технология получила название microfluidic Axialtrode, или mAxialtrode. Это гибкое волокно в форме иглы с микроскопическими каналами, расположенными по всей его длине.

В отличие от многих традиционных мозговых имплантатов, новая конструкция позволяет работать сразу с несколькими участками мозга на разной глубине.

Устройство может:

• регистрировать электрическую активность нервных клеток;
• доставлять лекарственные вещества непосредственно в нужные участки;
• стимулировать нейроны светом;
• одновременно работать с поверхностными и более глубокими структурами мозга.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Science.

В настоящее время mAxialtrode в первую очередь рассматривается как инструмент для фундаментальных исследований. С его помощью ученые могут изучать, как сигналы распространяются между различными слоями мозга во время эпилептических приступов, формирования памяти или принятия решений.

В перспективе технологию планируют адаптировать и для медицинского применения. Например, один имплантат потенциально сможет доставлять лекарства в конкретные области мозга и одновременно стимулировать выбранные участки электрическими импульсами или светом.

Для исследования мозга ученые давно используют тонкие оптические волокна. Они могут проводить свет к глубоким структурам мозга и широко применяются в оптогенетике – методе, позволяющем активировать определенные нервные клетки с помощью света.

Однако традиционное оптическое волокно обычно взаимодействует с тканями только на самом конце. Эту часть называют дистальным кончиком или "носом" волокна. Из-за этого исследователь фактически получает одну основную точку для стимуляции или измерения. Если нужно одновременно исследовать несколько слоев мозга, приходится использовать дополнительные электроды или оптические волокна.

Это создает очевидную проблему. Многие процессы в мозге не ограничиваются одной областью – они предполагают взаимодействие между различными слоями и более глубокими структурами.

mAxialtrode призван изменить такой подход, разместив функциональные элементы не только на конце устройства, но и по всей его длине.

Как устроен mAxialtrode?

В основе технологии лежит полимерный стержень значительно большего размера. Исследователи нагревают материал, после чего вытягивают его в чрезвычайно тонкое волокно. По принципу процесс напоминает изготовление очень тонкой нити, но с гораздо более высокой точностью.

В центре конструкции проходит светопроводящее ядро. Вокруг него расположены восемь микроскопических каналов, по которым можно транспортировать жидкости.

Эти каналы выполняют еще одну функцию. Внутри них могут размещаться чрезвычайно тонкие металлические проволоки для регистрации электрической активности мозга.

В результате ученые получили волокно толщиной менее 0,5 миллиметра. При этом оно остается достаточно гибким, чтобы двигаться вместе с тканями мозга, вместо того чтобы оказывать на них постоянное механическое давление. Это может иметь особое значение для долгосрочных имплантатов. Жесткие материалы, в частности кремний, могут раздражать ткани мозга и провоцировать воспалительные реакции.

Постдокторант Датского технического университета Куньян Суй, разработавший концепцию mAxialtrode совместно с доцентом Кристосом Маркосом, объясняет, что новое устройство отличается именно сочетанием гибкости и нескольких функций.

Большинство современных мозговых имплантатов изготовлены из твердых материалов, таких как кремний, которые могут раздражать мозг и вызывать воспалительные реакции в тканях. Новый имплантат отличается тем, что изготовлен из мягких, похожих на пластик оптических волокон и имеет специально наклоненный кончик, благодаря чему он меньше по размеру и наносит меньше повреждений при введении в мозг.

Что показали эксперименты на мышах?

Исследователи проверили mAxialtrode не только в лабораторных условиях, но и на живых животных. Такие эксперименты называют in vivo.

Имплантат установили в мозг мышей и подключили к источникам света, системам записи сигналов и небольшим насосам для доставки жидкостей. Во время экспериментов ученые смогли стимулировать нервные клетки с помощью синего и красного света. Одновременно устройство регистрировало электрическую активность в различных участках мозга.

В частности, исследователи получали сигналы как из поверхностных, так и из более глубоких структур, среди которых были кора головного мозга и гиппокамп.

Еще одной возможностью стала доставка различных веществ в отдельные участки. Точки введения были расположены на разной глубине и находились на расстоянии друг от друга почти 3 миллиметра. Все эти операции выполнялись с помощью одного тонкого волокна. По наблюдениям исследователей, мыши могли носить имплантат без видимых признаков дискомфорта.

Поможет ли эта технология лечить эпилепсию?

Одним из направлений, где mAxialtrode потенциально может найти применение, является исследование эпилепсии.

Эксперименты и нейрофизиологическая проверка технологии проводились в сотрудничестве с доцентом Копенгагенского университета Руне В. Бергом и доцентом University College London Робом К. Вайксом. Их работа включала исследование нейронных цепей и моделей, связанных с эпилепсией.

Объединение нескольких возможностей в одном имплантате может дать исследователям возможность более точно изучать, как различные области мозга взаимодействуют во время патологической активности. В будущем подобный подход теоретически может использоваться для одновременной доставки препаратов и стимуляции определенных участков.

Впрочем, до применения mAxialtrode в медицине еще далеко. Сами разработчики отмечают, что технология пока находится на исследовательском этапе. Перед испытаниями на людях необходимы дополнительные эксперименты, техническое усовершенствование и прохождение регуляторных процедур.

В настоящее время команда работает над патентованием технологии и изучает требования для будущего перехода к клиническим испытаниям. Если дальнейшие исследования подтвердят безопасность и эффективность mAxialtrode, одна гибкая конструкция может предоставить нейробиологам гораздо больше возможностей для одновременного измерения, стимуляции и доставки веществ в различные участки мозга.