Импланты для мозга сегодня как никогда малы, но зачастую остаются громоздкими и склонны к осложнениям. Согласно исследователям из Корнельского университета, новая итерация, подробно описанная на этой неделе в журнале Nature Electronics, может предложить новый путь развития мозговых имплантов.
Микромасштабный оптоэлектронный беспроводной электрод (MOTE) настолько мал, что его можно поместить на зёрнышко риса. Он значительно меньше аналогичных имплантов, а его конструкция может быть адаптирована для работы в других деликатных областях тела.
«Насколько нам известно, это самый маленький нейронный имплант, который будет измерять электрическую активность в мозге и передавать её по беспроводной связи», — заявил инженер-электрик и соавтор исследования Алёша Молнар.
MOTE имеет длину всего 300 микрон и ширину 70 микрон, что примерно равно ширине человеческого волоса. Он работает путём кодирования нейронных сигналов в небольшие импульсы инфракрасного света, прежде чем отправлять информацию безвредно через ткань мозга и кости к приёмнику.
Хотя Молнар впервые представил раннюю версию MOTE в 2001 году, потребовалось более двух десятилетий, прежде чем проект действительно сдвинулся с мёртвой точки.
Имплант спроектирован так, чтобы использовать полупроводниковый диод, изготовленный из арсенида галлия алюминия. Этот материал позволяет ему собирать световую энергию для питания, а также излучать свет для передачи данных. Диод поддерживается малошумящим усилителем и оптическим кодером, использующим те же принципы передачи, что и в стандартных микросхемах.
«Мы можем использовать очень-очень мало энергии для связи и при этом успешно оптически передавать данные», — пояснил Молнар.
Команда сначала протестировала MOTE на выращенных в лаборатории клеточных культурах, а затем перешла к мышам. В ходе испытаний устройство имплантировали в баррельную кору головного мозга грызунов — область мозга, эволюционировавшую для обработки сенсорной информации от усов.
Более года MOTE надёжно регистрировал всплески нейронной активности наряду с более широкой синаптической активностью у активных и здоровых мышей.
Одним из основных недостатков большинства современных мозговых имплантов является то, что они не могут функционировать, когда пациент проходит электромониторинг, например, во время МРТ. Однако MOTE изготовлен из материалов, которые позволяют полностью обойти эту проблему. Его беспроводные возможности также решают другую повторяющуюся проблему для имплантов.
«Одной из мотиваций для этого является то, что традиционные электроды и оптические волокна могут раздражать мозг. Ткань движется вокруг импланта и может вызвать иммунный ответ», — сказал Молнар. «Наша цель состояла в том, чтобы сделать устройство достаточно маленьким, чтобы минимизировать нарушения, одновременно фиксируя активность мозга быстрее, чем системы визуализации, и без необходимости генетической модификации нейронов для визуализации».
Потенциал MOTE выходит за рамки мониторинга мозга. Команда Молнара уверена, что базовая конструкция MOTE позволит адаптировать его для других тканей, даже в таких чувствительных областях, как спинной мозг. Его также можно использовать, если имплантировать внутрь искусственных черепных пластин.
«Наша технология обеспечивает основу для доступа к широкому спектру физиологических сигналов с помощью небольших и нетронутых инструментов, имплантируемых на длительные сроки», — заключили авторы исследования.