Имплантируемые микроэлектродные матрицы — ключевой элемент современных нейроинтерфейсов. Для людей с тяжелыми нарушениями двигательных функций, вызванными нейротравмами, нейроинтерфейсы часто остаются единственной надеждой на возвращение способности взаимодействовать с миром.
Чтобы такие системы работали надежно, имплантированные в мозг электроды должны не только точно регистрировать сигналы, но и делать это годами, не повреждая нервную ткань. Группа китайских исследователей, кажется, нашли универсальное решение, обратившись к искусству вырезания из бумаги. Свой вариант исследователи представили в статье, опубликованной в Nature Electronics.
Современная нейробиология и реабилитационная медицина остро нуждаются в компактных нейроинтерфейсах — устройствах, способных десятилетиями считывать активность мозга, помогая парализованным людям управлять протезами или компьютерным курсором. Несмотря на впечатляющие успехи лабораторных разработок, большинство из них так и не доходит до клинической практики. Одна из главных причин — несовершенство интерфейса между электроникой и живой тканью: жесткие электроды травмируют мозг, а гибкие не могут обеспечить стабильный контакт в условиях постоянных микродвижений органа. Например, «золотой стандарт» — Utah array — использует жесткие кремниевые иглы. Из-за механического несоответствия жесткого массива и мягкой, постоянно движущейся ткани мозга возникают микротравмы, хроническое воспаление и потеря сигнала. Кроме того, жесткое основание Utah array не может повторять изогнутую поверхность мозга, что ограничивает масштабирование технологии.
Альтернатива такому подходу — гибкие микроэлектроды. Они лучше подходят для долгой работы, но слишком мягкие, чтобы самостоятельно проникнуть в мозг без повреждений. Их имплантация сложна и не позволяет охватить большие области. Кроме того, традиционные линейные гибкие нити не способны адаптироваться к масштабным и динамичным деформациям мозга приматов, которые происходят из-за пульсации и движений головы. Такие смещения приводят к вытягиванию электродов из ткани, потере сигнала и дополнительным повреждениям.
Решить существующие проблемы попытались исследователи из Китая. Они нацелились создать новую платформу для нейроинтерфейсов, объединяющую преимущества гибких микроэлектродов (биосовместимость, долговечность) и жестких массивов типа Utah array (высокая пропускная способность, масштабируемость).
Новая система основана на ультратонких спиральных нитях. Она вдохновлена киригами – искусством изготовления фигур из бумаги с помощью ножниц и названа соответственно – ki-MEA (kirigami-inspired microelectrode arrays). Геометрия нити позволяет ей легко трансформироваться из плоской спирали в объемную при имплантации, что обеспечивает высокую растяжимость и низкую жесткость. Массив крепится к водорастворимому временному носителю из поливинилового спирта (PVA), что позволяет легко перенести его на поверхность мозга. После имплантации основание спирали остается лежать на поверхности мозга, не будучи жестко зафиксированным, что позволяет ему плавать и компенсировать движения мозга.
Ключевой секрет успеха кроется не только в форме спирали, но и в ювелирной технике имплантации. Перед операцией поверхность мозга покрывают тончайшим слоем гидрогеля. Затем гибкую матрицу, закрепленную на водорастворимой пленке, укладывают на этот гель. После того как пленка растворяется, в дело вступает микроскопический направитель — жесткая игла, которая прокалывает гель и, зацепившись за специальное отверстие на конце спирали, аккуратно втягивает её в мозг. Гидрогель выполняет роль смазки и направляющей: он не дает мягкой нити согнуться или прорезать ткань, гарантируя, что она пойдет точно за иглой, минимизируя повреждения.
Перед жесткими массивами новая технология имеет ряд преимуществ. Во-первых, в отличие от жестких кремниевых игл, нити по механическим свойствам близки к мягкой мозговой ткани, что минимизирует хроническое воспаление, микродвижения и гибель нейронов вокруг электродов. Именно это обеспечивает более долговременную и стабильную регистрацию сигналов. Кроме того, основание ki-MEA плавающее и гибкое. Оно идеально повторяет изогнутую поверхность мозга, в то время как плоское основание Utah array не может этого сделать.
Также в сравнении с традиционными гибкими линейными массивами спиральные нити обладают высокой растяжимостью и, подобно пружине, эффективно компенсирует движение при смещении мозга (которое у приматов измеряется миллиметрами). Моделирование показало, что даже при сильном растяжении спирали в ней возникают минимальные деформации (менее 1%). Разработанный метод с PVA-носителем и гидрогелем позволяет перенести на мозг и имплантировать сразу целый массив спиралей (до 64 штук одновременно), покрывая большую площадь. Имплантация множества отдельных линейных нитей — гораздо более медленный и сложный процесс. Использование гидрогеля гарантирует, что гибкая нить следует точно за жестким направителем (челноком), а не прорезает ткань самостоятельно, как это может происходить при неточном введении линейных нитей.
Разработанные структуры авторы работы имплантировали в мозг крыс и макак-резусов, чтобы проверить их взаимодействие с нейрональной тканью. Метод позволил надежно имплантировать массивы с 120 и 240 электродами в мозг крыс и до 1024 электродов (64 спирали) в мозг макаки. В мозге массивы показали высокую стабильность, то есть способность регистрировать активность больших популяций нейронов без потерь сигнала и вплоть до 22 недель без деградации. Иммуногистохимический анализ и 3D-визуализация тканей животных показали минимальную потерю нейронов и плотное прилегание ткани к имплантированной спирали без признаков хронического воспаления или рубцевания. У обезьян во время выполнения задачи удавалось различать движения руками с высокой точностью.
Авторы заключают, что разработанные ими киригами-микроэлектродные массивы являются многообещающим кандидатом для создания интерфейсов мозга следующего поколения. Их работа демонстрирует, что спиральный дизайн в сочетании с гидрогелевым покрытием позволяет решить ключевые проблемы имплантации в крупный и подвижный мозг приматов, обеспечивая высокую пропускную способность, масштабируемость и долговременную стабильность регистрации нейронной активности. Успешное декодирование кинематики движений подтверждает потенциал технологии для клинического применения, например, в нейропротезах для парализованных людей. Авторы, однако, признают, что для перехода к клиническим исследованиям на людях необходимо решить еще ряд проблем. В частности, необходимо создать более герметичную упаковку, что решило бы проблему утечки спинномозговой жидкости и коррозии разъемов. В текущей работе это приводило к отказам у части обезьян. Также необходима интеграция с маломощными высокоскоростными системами беспроводной телеметрии для создания полностью имплантируемых нейроинтерфейсов.
Текст: Анна Удоратина