Группа исследователей под руководством профессора Чо Иль Чжу (Il‑Joo Cho) из Медицинского колледжа Корейского университета представила компактную нейроинтерфейсную систему, которая позволяет одновременно стимулировать и подавлять активность нейронов с помощью локального изменения температуры, а также регистрировать вызванные сигналы.
Существующие методы нейромодуляции – электрические, оптогенетические, химические – чаще всего действуют однонаправленно (только возбуждение или только торможение) либо требуют генетической модификации или сложной доставки веществ. Температура же является естественным фактором, способным как повышать, так и понижать возбудимость нейронов. Однако до сих пор локальный нагрев или охлаждение глубоких структур мозга было трудно реализовать технически.
Разработанный имплант представляет собой монолитную интеграцию термоэлектрического модуля (эффект Пельтье) с многоканальным кремниевым нейрозондом. При пропускании тока одна сторона элемента нагревается, другая охлаждается; смена направления тока меняет их ролями. Для минимизации тепловых потерь зонд заключен в узкую полиимидную трубку (внутренний диаметр 0,3 мм), внутри которой сохраняется воздушный зазор, а полистирольные микросферы центрируют зонд и стабилизируют конструкцию. Радиатор и миниатюрный вентилятор отводят избыточное тепло от корпуса. Интегрированный массив электродов с платиновым черным покрытием обеспечивает низкий импеданс и позволяет одновременно записывать нейронные сигналы во время термического воздействия.
На калибровочных гидрогелях и in situ в мозге мышей исследователи измерили реальные изменения температуры.
Пространственное распределение тепла, визуализированное с помощью термохромного гидрогеля, показало, что эффективная зона модуляции ограничена примерно 200 мкм от кончика зонда – этого достаточно для избирательного воздействия на небольшие ядра мозга.
В экспериментах на мозжечке мышей с фиксированной головой охлаждение последовательно снижало частоту импульсов нейронов: при падении на 3,8 °C активность падала до 22,7% от исходной, а при снижении на 6,8 °C – до 8%. Нагрев, напротив, увеличивал частоту: при +3,2 °C – до 199%, при +7,6 °C – до 322%. Эффекты наступали в течение нескольких секунд и полностью исчезали в паузах между стимулами. При этом нейроны, расположенные ближе к зонду (с большой амплитудой спайков), реагировали быстрее и сильнее, чем удаленные, что подтверждает пространственную избирательность термовоздействия.
Ключевой эксперимент был проведен на голубом пятне (locus coeruleus) – ядре ствола, связанном с бодрствованием, вниманием и вегетативными реакциями. Имплант вводили в эту область, одновременно вели видеозапись зрачка мыши.
Охлаждение (снижение на ~6 °C на кончике) подавляло мультинейронную активность на ~80% уже через ~6 секунд после включения тока. Параллельно происходило сужение зрачка, которое коррелировало во времени с торможением нейронов.
Нагрев (повышение на ~4–5 °C) вызывал рост активности нейронов до ~303% от базового уровня и сопровождался расширением зрачка в среднем в 1,3 раза. Интересно, что после выключения нагрева активность оставалась повышенной еще около 20 секунд, что свидетельствует об инерции возбуждающих контуров голубого пятна.
Воспроизводимость эффектов удалось подтвердить несколькими циклами стимуляции.
«Наша система – первый пример полностью интегрированного интерфейса, позволяющего в одном устройстве как усиливать, так и подавлять нейронную активность с высоким временным разрешением, – комментирует профессор Чо. – Это открывает путь к двунаправленным интерфейсам мозг–компьютер, где обратная сенсорная связь может быть “записана” в мозг через локальное изменение температуры».
Авторы планируют применить технологию для коррекции моторных симптомов при болезни Паркинсона и других нейродегенеративных расстройствах, а также для фундаментального изучения динамики нейронных цепей.
Работа опубликована в журнале Advanced Science.
Текст: Алексей Паевский