Имплантат меньше крупинки соли: ученые создают микрочип, который в течение года считывает активность мозга без проводов
Фиксирует сигналы, не раздражает ткани и не требует хирургического вмешательства.
Исследователи Корнеллского университета создали нейроимплант, настолько крошечный, что он помещается на поверхности кристалла соли. При этом ему удалось более года без проводов записывать активность мозга живого животного.
Разработка получила название MOTE — микромасштабный оптоэлектронный безпроводной электрод. Этот микрочип открывает путь к долгосрочному мониторингу нейронной активности без необходимости использования инвазивных методов и крупномасштабных систем. Проект возглавили профессор Алеша Мольнар из Корнеллской школы электротехники и вычислительной техники и его бывший коллега по лаборатории и нынешний преподаватель Наньянского технологического университета (NTU) Сану Ли.
Размеры устройства составляют всего около 300×70 микрон. Он питается от безопасного излучения в красном и ближнем инфракрасном диапазонах, проходящего через ткани мозга. Обратно информация передается посредством слабых оптических импульсов: именно в таких вспышках шифруются нейронные сигналы.
Световая энергия преобразуется в электричество с помощью арсенид-алюминиевого диода. Тот же элемент используется для отправки данных. Кроме того, в структуру чипа входят малошумящий усилитель и оптический энкодер — оба созданы с использованием тех же технологий, которые используются при производстве стандартных микросхем.
По словам Молнара, это самый компактный имплант, способный регистрировать электрическую активность мозга и передавать ее по беспроводной сети.. Для достижения оптимальной энергоэффективности инженеры применили импульсно-позиционную модуляцию — метод кодирования, широко используемый в системах спутниковой оптической связи.
Перед внедрением в живые организмы устройство было протестировано на клеточных культурах. Затем его имплантировали в кору головного мозга лабораторных мышей, отвечающую за прием сигналов от усов. В течение года прибор стабильно регистрировал как одиночные импульсы нейронов, так и медленные колебания синаптической активности. При этом поведение животных не изменилось – они сохранили нормальную подвижность и здоровье.
Главной задачей разработчиков было создать имплант, который не раздражал бы ткани. Как объясняет Мольнар, традиционные электроды и волокна часто вызывают воспалительную реакцию из-за механического трения: мозг слегка смещается относительно имплантированного компонента. MOTE настолько мал, что почти не нарушает окружающие структуры, предоставляя данные быстрее, чем методы визуализации, и не требует модификации нейронов.
Уникальный состав полупроводниковой начинки позволяет принимать сигнал даже в условиях ядерного магнитного резонанса, чего невозможно достичь с помощью обычных имплантатов. Кроме того, эту технологию можно адаптировать для размещения в области спинного мозга или встроить в заменитель черепной кости для непрерывного мониторинга.
Саму концепцию Молнар предложил еще в 2001 году. Однако настоящая работа началась лишь десятилетие спустя, когда он присоединился к междисциплинарной инициативе Cornell Neurotech, которая объединяет исследователей из разных отделов университета.
