Вчені створили надтонкий імплант для мозку, який виконує одразу три функції

Вчені з Данського технічного університету, Копенгагенського університету, University College London та інших установ розробили надтонкий мозковий електрод, який поєднує кілька функцій в одному пристрої. Про це пише Sciencedaily.

Як працює новий імплант для мозку?

Технологія отримала назву microfluidic Axialtrode, або mAxialtrode. Це гнучке волокно голчастої форми з мікроскопічними каналами, розташованими вздовж усієї його довжини.

На відміну від багатьох традиційних мозкових імплантів, нова конструкція дозволяє працювати одразу з кількома ділянками мозку на різній глибині.

Пристрій може:

• записувати електричну активність нервових клітин;
• доставляти лікарські речовини безпосередньо до потрібних ділянок;
• стимулювати нейрони світлом;
• одночасно працювати з поверхневими та глибшими структурами мозку.

Результати дослідження опубліковані в науковому журналі Advanced Science.

Наразі mAxialtrode насамперед розглядається як інструмент для фундаментальних досліджень. За його допомогою вчені можуть вивчати, як сигнали поширюються між різними шарами мозку під час епілептичних нападів, формування пам'яті або прийняття рішень.

У перспективі технологію хочуть адаптувати і для медичних застосувань. Наприклад, один імплант потенційно зможе доставляти ліки в конкретні області мозку та одночасно стимулювати вибрані ділянки електричними імпульсами або світлом.

Для дослідження мозку вчені давно використовують тонкі оптичні волокна. Вони можуть проводити світло до глибоких структур мозку та широко застосовуються в оптогенетиці – методі, який дозволяє активувати певні нервові клітини за допомогою світла.

Однак традиційне оптичне волокно зазвичай взаємодіє з тканинами лише на самому кінці. Цю частину називають дистальним кінчиком або "носом" волокна. Через це дослідник фактично отримує одну основну точку для стимуляції або вимірювання. Якщо потрібно одночасно досліджувати кілька шарів мозку, доводиться використовувати додаткові електроди чи оптичні волокна.

Це створює очевидну проблему. Багато процесів у мозку не обмежуються однією областю – вони передбачають взаємодію між різними шарами та глибшими структурами.

mAxialtrode має змінити такий підхід, розмістивши функціональні елементи не лише на кінці пристрою, а вздовж його довжини.

Як влаштований mAxialtrode?

В основі технології лежить полімерний стрижень значно більшого розміру. Дослідники нагрівають матеріал, після чого витягують його у надзвичайно тонке волокно. За принципом процес нагадує виготовлення дуже тонкої нитки, але з набагато вищою точністю.

У центрі конструкції проходить світлопровідне ядро. Навколо нього розташовані вісім мікроскопічних каналів, якими можна транспортувати рідини.

Ці канали мають ще одну функцію. Усередині них можуть розміщуватися надзвичайно тонкі металеві дроти для реєстрації електричної активності мозку.

У результаті вчені отримали волокно завтовшки менше 0,5 міліметра. При цьому воно залишається достатньо гнучким, щоб рухатися разом із тканинами мозку, замість того щоб чинити на них постійний механічний тиск. Це може мати особливе значення для довготривалих імплантів. Жорсткі матеріали, зокрема кремній, можуть подразнювати тканини мозку та провокувати запальні реакції.

Постдокторант Данського технічного університету Кунян Суй, який розробив концепцію mAxialtrode разом із доцентом Крістосом Маркосом, пояснює, що новий пристрій відрізняється саме поєднанням гнучкості та кількох функцій.

Більшість сучасних мозкових імплантів виготовлені з твердих матеріалів, таких як кремній, які можуть подразнювати мозок і викликати запальні реакції в тканинах. Новий імплант відрізняється тим, що виготовлений з м'яких, схожих на пластик оптичних волокон і має спеціально нахилений кінчик, завдяки чому він менший і завдає менше пошкоджень під час введення в мозок.

Що показали експерименти на мишах?

Дослідники перевірили mAxialtrode не лише в лабораторних умовах, а й на живих тваринах. Такі експерименти називають in vivo.

Імплант встановили в мозок мишей та під'єднали до джерел світла, систем запису сигналів і невеликих насосів для доставки рідин. Під час експериментів вчені змогли стимулювати нервові клітини за допомогою синього та червоного світла. Одночасно пристрій реєстрував електричну активність у різних ділянках мозку.

Зокрема, дослідники отримували сигнали як із поверхневих, так і з глибших структур, серед яких були кора головного мозку та гіпокамп.

Ще однією можливістю стала доставка різних речовин до окремих ділянок. Точки введення були розташовані на різній глибині та мали відстань одна від одної майже 3 міліметри. Усі ці операції виконувалися за допомогою одного легкого волокна. За спостереженнями дослідників, миші могли носити імплант без очевидних ознак дискомфорту.

Чи допоможе технологія лікувати епілепсію?

Одним із напрямів, де mAxialtrode потенційно може знайти застосування, є дослідження епілепсії.

Експерименти та нейрофізіологічну перевірку технології проводили у співпраці з доцентом Копенгагенського університету Руне В. Бергом і доцентом University College London Робом К. Вайксом. Їхня робота включала дослідження нейронних ланцюгів і моделей, пов'язаних з епілепсією.

Поєднання кількох можливостей в одному імпланті може дати дослідникам змогу точніше вивчати, як різні області мозку взаємодіють під час патологічної активності. У майбутньому подібний підхід теоретично може використовуватися для одночасної доставки препаратів і стимуляції певних ділянок.

Втім, до використання mAxialtrode в медицині ще далеко. Самі розробники наголошують, що технологія поки перебуває на дослідницькому етапі. Перед випробуваннями на людях необхідні додаткові експерименти, технічне вдосконалення та проходження регуляторних процедур.

Наразі команда працює над патентуванням технології та вивчає вимоги для майбутнього переходу до клінічних випробувань. Якщо подальші дослідження підтвердять безпечність і ефективність mAxialtrode, одна гнучка конструкція може дати нейробіологам значно більше можливостей для одночасного вимірювання, стимуляції та доставки речовин у різні ділянки мозку.