Группа исследователей из Института обработки биологической информации (IBI-3) в Центре научных исследований в Юлихе (Forschungszentrum Jülich), совместно с партнёрами из Германии, разработала инновационную технику для складывания гибких микроэлектродов высокой плотности в трёхмерные формы, вдохновлённые японским искусством работы с бумагой — киригами.
Киригами — это разновидность оригами, традиционного японского искусства складывания бумаги. В отличие от оригами, киригами включает в себя вырезание бумаги, что позволяет создавать сложные трёхмерные конструкции без использования клея.
Новое достижение в нейронауке
Эта разработка позволяет исследователям регистрировать активность мозга не только на поверхности, но и глубоко в нейронной ткани. Технология обещает перспективы для нейронауки и, в долгосрочной перспективе, для применения в нейротехнологиях в медицине. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
Так называемые 3D массивы микроэлектродов (MEA) изготовлены из ультратонких гибких полимерных плёнок. Используя специальную технику термического формования, известную как «matched-die forming», плёнки формуют в вертикальные, автономные структуры. Каждая из них тоньше человеческого волоса, оснащена множеством электродов и способна одновременно регистрировать электрические сигналы из разных слоёв мозга.
Преимущества нового подхода
В отличие от предыдущих методов, предложенный подход позволяет складывать до 128 таких структур за один раз — эффективно, надёжно и без использования токсичных материалов или сложных этапов изготовления, — объясняет Мари Юнг, ведущий автор исследования и докторант в Юлихе.
Техника не только проста, но и масштабируема — важный этап на пути к клиническому применению в нейротехнологиях. Традиционные 3D MEA обычно основаны на жёстких материалах, таких как кремний, или требуют сложного ручного складывания. Новый подход, напротив, основан на гибких, биосовместимых материалах, которые минимизируют риск неблагоприятной реакции тканей.
Команда использует полимерную плёнку толщиной всего несколько микрометров — гибкую, как пищевая плёнка, но достаточно прочную, чтобы функционировать в качестве мозгового зонда. После размещения между специализированными формами плоская структура преобразуется в окончательную трёхмерную форму с помощью тепла и давления.
«Что продолжает меня удивлять, — говорит Вивиана Ринкон Монтес, ответственный автор и учёный в IBI-3, — так это то, насколько хорошо техника, разработанная для макроскопического формования, например компрессионное формование, может быть адаптирована для работы с такой точностью на микроскопическом уровне. Наши структуры достаточно устойчивы, чтобы выдержать как механическое напряжение при имплантации, так и биологическую среду, в которую они попадают».
Лабораторные испытания и клинические перспективы
Команда сначала провела тщательные лабораторные испытания, чтобы оценить электрохимические характеристики, точность складывания и механическую прочность своих зондов. Затем они были испытаны на срезах мозга пациентов с эпилепсией и на живых мышах. Зонды успешно зафиксировали сигналы как на поверхности, так и глубже в мозге — включая эпилептиформную активность в тканях человека и сенсорные реакции на прикосновение и свет у животных.
Благодаря высокому пространственному разрешению, одноэтапному процессу имплантации и гибкости, технология рассматривается как особенно перспективная для интерфейсов «мозг-компьютер» и будущих терапевтических применений. В долгосрочной перспективе эта технология может помочь проложить путь для создания визуальных протезов и других нейротехнологических инноваций.
«Мы работаем над дальнейшей оптимизацией покрытия электродов и миниатюризацией схем», — говорит Ринкон Монтес. «Наша цель — создать имплантат, который был бы как можно более компактным, лёгким и эффективным — такой, который мог бы надёжно считывать все 512 электродов или более».
Хотя до клинического применения ещё предстоит пройти долгий путь, эта работа закладывает прочную основу, сочетая передовые технологии с точным мастерством в микроскопическом масштабе.
Предоставлено Центром научных исследований в Юлихе (Forschungszentrum Jülich).