Новий нейронний імплантат революціонізує моніторинг активності мозку, поєднуючи поверхневий і глибокий збір даних мозку мінімально інвазивним способом. Вчені з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго розробили нейронний імплантат, який надає інформацію про активність у глибині мозку, сидячи на його поверхні. Імплантат складається з тонкої, прозорої та гнучкої полімерної стрічки, наповненої щільним масивом графенових електродів. Т

Технологія, випробувана на трансгенних мишах, наближає дослідників до створення мінімально інвазивного інтерфейсу мозок-комп’ютер (BCI), який надає дані високої роздільної здатності про глибоку нейронну активність за допомогою записів із поверхні мозку. Робота буде опублікована сьогодні (11 січня) в журналі Nature Nanotechnology.

Подолання поточних обмежень у нейронних імплантатах

«Ми розширюємо просторове охоплення нейронних записів за допомогою цієї технології», — сказав старший автор дослідження Дуйгу Кузум, професор кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії Інженерної школи Каліфорнійського університету в Сан-Дієго Джейкобса. «Навіть попри те, що наш імплантат знаходиться на поверхні мозку, його конструкція виходить за межі фізичного сприйняття, оскільки він може виводити нервову активність із глибших шарів».

При розміщенні на поверхні мозку цей тонкий, гнучкий імплантат дозволяє дослідникам отримувати інформацію високої роздільної здатності про нейронну активність глибоко всередині мозку, не пошкоджуючи його делікатну тканину. Авторство: Девід Бейлот/Інженерна школа Джейкобса в Сан-Дієго Каліфорнійському університеті

Ця робота долає обмеження сучасних технологій нейронної імплантації. Існуючі поверхневі масиви, наприклад, є мінімально інвазивними, але їм не вистачає здатності отримувати інформацію за межами зовнішніх шарів мозку. Навпаки, масиви електродів із тонкими голками, які проникають у мозок, здатні досліджувати глибші шари, але вони часто призводять до запалення та рубців, що з часом погіршує якість сигналу. Новий нейронний імплантат, розроблений в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, пропонує найкраще з обох світів.

Деталі імплантату

Імплантат являє собою тонку, прозору та гнучку полімерну смужку, яка відповідає поверхні мозку. Смужка вбудована в масив крихітних круглих графенових електродів високої щільності, кожен діаметром 20 мікрометрів. Кожен електрод з’єднаний графеновим дротом з мікрометри до монтажної плати.

Під час випробувань на трансгенних мишах імплантат дозволив дослідникам отримувати інформацію високої роздільної здатності про два типи нейронної активності – електричну активність і активність кальцію – одночасно. При розміщенні на поверхні мозку імплантат записував електричні сигнали від нейронів у зовнішніх шарах. Одночасно дослідники використовували двофотонний мікроскоп, щоб пропустити лазерне світло через імплантат, щоб відобразити спайки кальцію з нейронів, розташованих на глибині 250 мікрометрів під поверхнею. Дослідники виявили кореляцію між поверхневими електричними сигналами та спалахами кальцію в більш глибоких шарах. Ця кореляція дозволила дослідникам використовувати поверхневі електричні сигнали для навчання нейронних мереж прогнозувати активність кальцію — не лише для великих популяцій нейронів, але й окремих нейронів — на різних глибинах.

Масив графенових електродів крупним планом. Авторство: Девід Бейлот/Інженерна школа Джейкобса в Сан-Дієго Каліфорнійському університеті

«Модель нейронної мережі навчена вивчати взаємозв’язок між поверхневими електричними записами та активністю іонів кальцію нейронів на глибині», — сказав Кузум. «Як тільки він дізнається про цей зв’язок, ми зможемо використовувати модель для прогнозування глибинної активності з поверхні».

Перевага можливості передбачити активність кальцію за електричними сигналами полягає в тому, що вона долає обмеження експериментів із зображеннями. При візуалізації спайків кальцію необхідно зафіксувати голову обстежуваного під мікроскопом. Крім того, ці експерименти можуть тривати лише одну-дві години.

«Оскільки електричні записи не мають цих обмежень, наша технологія дозволяє проводити більш тривалі експерименти, під час яких суб’єкт може вільно пересуватися та виконувати складні поведінкові завдання», — сказав співавтор дослідження Мехрдад Рамезані, електротехнік та комп’ютерна інженерія. доктор філософії студент у лабораторії Кузума. «Це може забезпечити більш повне розуміння нейронної активності в динамічних сценаріях реального світу».

Проєктування та виготовлення нейронного імплантату

Своїм успіхом ця технологія завдячує кільком інноваційним конструктивним особливостям: прозорості та високій щільності електродів у поєднанні з методами машинного навчання . 

«Це нове покоління прозорих графенових електродів, вбудованих з високою щільністю, дозволяє нам аналізувати нейронну активність із вищою просторовою роздільною здатністю», — сказав Кузум. «В результаті якість сигналу значно покращується. Що робить цю технологію ще більш примітною, так це інтеграція методів машинного навчання, які дозволяють передбачати глибинну нейронну активність за поверхневими сигналами».

Це дослідження було результатом спільної роботи кількох дослідницьких груп Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. Команда під керівництвом Кузума, одного зі світових лідерів у розробці мультимодальних нейронних інтерфейсів, включає професора наноінженерії Ертугрула Кубукку, який спеціалізується на передових мікро- та нанотехнологіях виробництва графенових матеріалів; професор електротехніки та комп’ютерної інженерії Вікаш Гілджа, чия лабораторія об’єднує предметно-специфічні знання з сфер базової нейронауки, обробки сигналів і машинного навчання для декодування нейронних сигналів; і професор нейробіології та нейронаук Такакі Коміяма, чия лабораторія зосереджена на дослідженні механізмів нейронних ланцюгів, які лежать в основі гнучкої поведінки.

Прозорість є однією з ключових особливостей цього нейронного імплантату. Традиційні імплантати використовують непрозорі металеві матеріали для своїх електродів і проводів, які блокують видимість нейронів під електродами під час експериментів із зображенням. Навпаки, імплантат, виготовлений з використанням графену, є прозорим, що забезпечує абсолютно чисте поле зору для мікроскопа під час експериментів із зображенням.

«Повна інтеграція запису електричних сигналів і оптичного зображення нейронної активності одночасно можлива лише за допомогою цієї технології», — сказав Кузум. «Можливість проводити обидва експерименти одночасно дає нам більш релевантні дані, тому що ми можемо бачити, як експерименти із зображенням пов’язані в часі з електричними записами».

Ключові характеристики та проблеми виготовлення

Щоб зробити імплантат повністю прозорим, дослідники використовували надтонкі довгі графенові дроти замість традиційних металевих дротів для з’єднання електродів із друкованою платою. Однак виготовлення одного шару графену у вигляді тонкого довгого дроту є складним завданням, тому що будь-який дефект зробить дріт нефункціональним, пояснив Рамезані. «У графеновому дроті може бути проміжок, який перешкоджає проходженню електричного сигналу, тому ви, в основному, отримаєте зламаний дріт».

Дослідники вирішили цю проблему за допомогою розумної методики. Замість того, щоб виготовляти дроти як один шар графену, вони виготовляли їх як подвійний шар, легований азотною кислотою в середині. «Завдяки наявності двох шарів графену один на одному є хороша ймовірність того, що дефекти в одному шарі будуть замасковані іншим шаром, забезпечуючи створення повністю функціональних тонких і довгих графенових дротів із покращеною провідністю», — сказав Рамезані.

За словами дослідників, це дослідження демонструє найбільш щільно упакований прозорий масив електродів на поверхневому нейронному імплантаті на сьогоднішній день. Досягнення високої щільності вимагало виготовлення надзвичайно маленьких графенових електродів. Це стало серйозною проблемою, оскільки зменшення розміру графенових електродів збільшує їхній імпеданс — це перешкоджає потоку електричного струму, необхідного для запису нейронної активності. Щоб подолати цю перешкоду, дослідники використали техніку мікрофабрикації, розроблену лабораторією Кузума, яка передбачає нанесення наночастинок платини на графенові електроди. Цей підхід значно покращив потік електронів через електроди, зберігаючи їх крихітними та прозорими.

Погляд у майбутнє: майбутні застосування та дослідження

Далі команда зосередиться на тестуванні технології на різних моделях тварин з кінцевою метою перекладу людиною в майбутньому.

Дослідницька група Кузума також присвячена використанню технології для просування фундаментальних досліджень нейронауки. У цьому дусі вони діляться технологіями з лабораторіями США та Європи, роблячи внесок у різноманітні дослідження, починаючи від розуміння того, як судинна активність пов’язана з електричною активністю в мозку, до дослідження того, як клітини в мозку так ефективно створюють просторову пам’ять. . Щоб зробити цю технологію більш доступною, команда Кузума подала заявку на отримання гранту Національного інституту здоров’я (NIH) для фінансування зусиль із розширення виробництва та сприяння її застосуванню дослідниками в усьому світі.

«Цю технологію можна використовувати для багатьох різноманітних фундаментальних нейронаукових досліджень, і ми прагнемо зробити свій внесок у прискорення прогресу в кращому розумінні людського мозку», — сказав Кузум.

Источник: portaltele.com.ua