Прозрачный мозговой имплантат может считывать глубокую нейронную активность с поверхности
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали нейронный имплант, который предоставляет информацию об активности глубоко внутри мозга, находясь на его поверхности. Имплантат состоит из тонкой, прозрачной и гибкой полимерной полоски, заполненной плотным набором графеновых электродов. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Технология, протестированная на мышах, приближает исследователей на шаг к созданию минимально инвазивного интерфейса мозг-компьютер (BCI), который предоставляет данные высокого разрешения о глубокой нейронной активности с использованием записей с поверхности мозга.
«С помощью этой технологии мы расширяем пространственный охват нейронных записей», — сказал старший автор исследования Дуйгу Кузум, профессор кафедры электротехники и компьютерной инженерии Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Несмотря на то, что наш имплант находится на поверхности мозга, его конструкция выходит за пределы физического восприятия, поскольку он может определять нейронную активность из более глубоких слоев».
Эта работа преодолевает ограничения современных технологий нейронных имплантатов. Например, существующие поверхностные массивы минимально инвазивны, но им не хватает способности захватывать информацию за пределами внешних слоев мозга. Напротив, электродные массивы с тонкими иглами, проникающими в мозг, способны прощупывать более глубокие слои, но они часто приводят к воспалению и рубцеванию, что со временем ухудшает качество сигнала. Новый нейронный имплантат, разработанный в Калифорнийском университете в Сан-Диего, сочетает в себе лучшее из обоих миров.
Имплантат представляет собой тонкую, прозрачную и гибкую полимерную полоску, повторяющую форму поверхности мозга. В полоску встроен массив крошечных круглых графеновых электродов высокой плотности, каждый диаметром 20 микрометров. Каждый электрод соединен графеновой проволокой толщиной в микрометр с печатной платой.
В ходе испытаний на трансгенных мышах имплантат позволил исследователям одновременно получать информацию с высоким разрешением о двух типах нейронной активности — электрической активности и активности кальция. При размещении на поверхности мозга имплантат записывал электрические сигналы от нейронов внешних слоев. В то же время исследователи использовали двухфотонный микроскоп, чтобы пропустить лазерный свет через имплантат и получить изображение шипов кальция в нейронах, расположенных на глубине до 250 микрометров под поверхностью.
Исследователи обнаружили корреляцию между поверхностными электрическими сигналами и выбросами кальция в более глубокие слои. Эта корреляция позволила исследователям использовать поверхностные электрические сигналы для обучения нейронных сетей прогнозированию активности кальция — не только для больших популяций нейронов, но и для отдельных нейронов — на различной глубине.
«Модель нейронной сети обучена изучать взаимосвязь между поверхностными электрическими записями и активностью ионов кальция в нейронах на глубине», — сказал Кузум. «Как только он узнает эту взаимосвязь, мы сможем использовать модель для прогнозирования глубинной активности с поверхности».
Преимущество возможности прогнозировать активность кальция по электрическим сигналам заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения экспериментов по визуализации. При визуализации шипов кальция голову субъекта необходимо фиксировать под микроскопом. Кроме того, эти эксперименты могут длиться только час или два за раз.
«Поскольку электрические записи не имеют этих ограничений, наша технология позволяет проводить более длительные эксперименты, в которых субъект может свободно передвигаться и выполнять сложные поведенческие задачи», — сказал соавтор исследования Мехрдад Рамезани. «Это может обеспечить более полное понимание нейронной активности в динамических сценариях реального мира».
Технология обязана своим успехом нескольким инновационным конструктивным особенностям: прозрачности и высокой плотности электродов в сочетании с методами машинного обучения.
«Это новое поколение прозрачных графеновых электродов, встроенных в высокую плотность, позволяет нам измерять нейронную активность с более высоким пространственным разрешением», — сказал Кузум. «В результате качество сигналов значительно улучшается. Что делает эту технологию еще более примечательной, так это интеграция методов машинного обучения, которые позволяют прогнозировать глубокую нейронную активность по поверхностным сигналам».
Прозрачность — одна из ключевых особенностей этого нейронного имплантата. В традиционных имплантатах в качестве электродов и проводов используются непрозрачные металлические материалы, которые блокируют обзор нейронов под электродами во время экспериментов по визуализации. Напротив, имплантат, изготовленный с использованием графена, прозрачен, что обеспечивает полностью четкое поле зрения для микроскопа во время экспериментов по визуализации.
«Бесшовная интеграция записи электрических сигналов и одновременной оптической визуализации нейронной активности возможна только с помощью этой технологии», — сказал Кузум. «Возможность проводить оба эксперимента одновременно дает нам более релевантные данные, потому что мы можем видеть, как эксперименты по визуализации связаны по времени с электрическими записями».
Чтобы сделать имплантат полностью прозрачным, исследователи использовали сверхтонкие длинные графеновые провода вместо традиционных металлических проводов для подключения электродов к печатной плате. Однако изготовление одного слоя графена в виде тонкой и длинной проволоки является сложной задачей, поскольку любой дефект сделает проволоку нефункциональной, объяснил Рамезани. «В графеновой проволоке может быть разрыв, который препятствует прохождению электрического сигнала, поэтому в итоге вы получаете обрыв провода».
Исследователи решили эту проблему, используя хитрую технику. Вместо того, чтобы изготавливать провода в виде одного слоя графена, они изготовили их в виде двойного слоя, легированного азотной кислотой посередине.
«При наличии двух слоев графена друг над другом существует большая вероятность того, что дефекты в одном слое будут замаскированы другим слоем, что обеспечит создание полностью функциональных, тонких и длинных графеновых проводов с улучшенной проводимостью», — сказал Рамезани.
По словам исследователей, это исследование демонстрирует наиболее плотно упакованную прозрачную решетку электродов на поверхностном нейронном имплантате на сегодняшний день. Достижение высокой плотности потребовало изготовления чрезвычайно маленьких графеновых электродов. Это представляло собой серьезную проблему, поскольку уменьшение размера графеновых электродов увеличивает их импеданс — это препятствует прохождению электрического тока, необходимого для регистрации нейронной активности.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи использовали метод микропроизводства, разработанный лабораторией Кузума, который включает осаждение наночастиц платины на графеновые электроды. Этот подход значительно улучшил поток электронов через электроды, сохраняя при этом их крошечные и прозрачные.
Далее команда сосредоточится на тестировании технологии на различных моделях животных, с конечной целью перевода на человека в будущем.
Исследовательская группа Кузума также занимается использованием этой технологии для продвижения фундаментальных исследований в области нейробиологии. В этом духе они делятся своей технологией с лабораториями в США и Европе, внося свой вклад в разнообразные исследования, начиная от понимания того, как сосудистая активность связана с электрической активностью в мозге и заканчивая изучением того, почему клетки места в мозге настолько эффективны в создании пространственной памяти. .
«Эта технология может быть использована для множества различных фундаментальных нейробиологических исследований, и мы стремимся внести свой вклад в ускорение прогресса в лучшем понимании человеческого мозга», — сказал Кузум.
Обсудим?
Смотрите также:
