Разработанный в Китае инновационный гибкий компьютерный чип для мозга успешно сохраняет 94 % своей эффективности даже спустя полуторагодовой период эксплуатации, обеспечивая при этом высокую стабильность и четкость трансляции сигналов.
Ирина Петрова
Изображение мозгового имплантата. Источник: Getty Images
Интеграция с мозговыми структурами
Команда специалистов из научных центров Китая и Японии представила уникальную сверхгибкую электродную систему, предназначенную для интеграции с мозговыми структурами.
Данная технология позволяет успешно преодолеть значимый барьер в области нейроинтерфейсов, связанный с несовместимостью жестких металлических компонентов и деликатных тканей мозга. Традиционный подход часто провоцировал развитие хронических воспалительных процессов и последующее снижение качества считываемой информации.
Создателями интерфейса «мозг — компьютер» ситали эксперты Шэньчжэньской высшей школы Университета Цинхуа, Токийского университета и профильного института Китайской академии наук.
В рамках испытаний на животных система продемонстрировала выдающуюся долговечность, работая без сбоев более 18 месяцев.
Мягкий мозговой имплантат
Проблема мягкой оболочки мозга давно волновала нейробиологов. Поскольку электроды для мониторинга нейронной активности обычно создают из твердых материалов вроде платины, в процессе естественных движений организма жесткий металл подвергает ткани механическому воздействию. Это приводит к микротравмам, образованию рубцов и изоляции устройства, что со временем неизбежно прекращает передачу данных.
Важным аспектом успеха китайско-японской команды стал именно отказ от жестких металлических сеток в пользу молекулярного проектирования проводящих сетей.
Прецизионная фотолитография эластичного гидрогеля, как показало исследование, позволяет создавать архитектуру, которая «дышит» вместе с биологической тканью, адаптируясь к микровибрациям и пульсации сосудов головного мозга.
Такая синергия мягкой электроники и нейробиологии предотвращает формирование глиального рубца, который десятилетиями оставался главным врагом надежности нейрокомпьютерных интерфейсов.
Основой новинки стал органический сверхгибкий материал, представляющий собой проводящий гидрогель с особой структурой (Chip). Ранее применение классических гидрогелей ограничивалось их склонностью к чрезмерному поглощению жидкости, деформации сетки каналов и недостаточной электропроводностью.
Авторы работы нашли элегантное инженерное решение. Изначально гидрогель фиксировали на сверхтонкой полимерной основе, придавая ему точную форму.
После высыхания материал подвергали прецизионной фотолитографии. Итоговый 128-канальный массив имеет толщину 9 микрометров, что значительно тоньше человеческого волоса, при этом плотность передачи данных в нем увеличена десятикратно по сравнению с аналогичными разработками прошлого.
Высокая удельная проводимость в 2512 См/см гарантирует точность фиксации даже самых слабых нейронных импульсов.
Испытано на подопытных кроликах
Эффективность чипа была подтверждена экспериментами на кроликах. На протяжении 550 дней подопытные животные вели активный образ жизни, а датчики продолжали транслировать качественный сигнал.
По истечении 18 месяцев параметры соотношения сигнал/шум оставались близки к исходным (94 %). Последующий гистологический анализ подтвердил отсутствие иммунного отторжения, серьезных воспалений или разрастания рубцовой ткани.
Ученые подчеркнули, что полученная матрица ECoG идеально подстраивается под изгибы коры, минимизируя конфликт с инородным телом.
Как отмечает издание SCMP, устройство обладает исключительной надежностью: тесты показали устойчивость к 1000 циклов растяжения на 30 %, что соответствует предельной нагрузке для мозговых тканей. При этом колебания электрических характеристик составили менее 4 %.
Параллельно с этим, ученые работают над вопросами беспроводной передачи данных и энергообеспечения, так как создание имплантата — это только часть уравнения.
Для того чтобы достичь этапа клинических испытаний на людях, системе предстоит пройти серию тестов на масштабируемость и полную биосовместимость при сверхдлительном нахождении в организме. Тем не менее, достигнутые 18 месяцев стабильной работы подопытных животных уже установили новый «золотой стандарт» надежности для высокоплотных интерфейсов ECoG.
Долговечные решения для нейропротезов
С долгосрочной точки зрения, данная разработка приближает научное сообщество к реализации нейронных систем с обратной связью, работающих в реальном времени.
Способность чипа считывать импульсы с высокой плотностью позволяет более эффективно обучать алгоритмы машинного обучения, которые в будущем смогут переводить сигналы коры мозга в команды для внешних устройств с практически нулевой задержкой.
Развитие медицинских технологий на базе ИИ требует долговечных решений, способных функционировать внутри тела десятилетиями.
Предложенные органические гидрогели открывают новые горизонты для создания интерфейсов, стирающих границы между биологическим разумом и вычислительной техникой.
Перспективы практического применения данной технологии выходят далеко за рамки мониторинга нейронной активности. Разработанный полимерный интерфейс может стать фундаментом для создания нейропротезов нового поколения, способных возвращать подвижность пациентам с параличом или восстанавливать функции сенсорных систем.
К примеру, уже сегодня в психиатрическую практику уверенно входит электронная таблетка, вставляемая в черепную коробку. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило первое испытание на людях беспроводного мозгового имплантата для лечения резистентной депрессии.
А в США ученые создали прототип биоэлектронного имплантата «живая аптека», который позволяет генетически модифицированным клеткам, производящим лекарственные вещества, сохранять жизнеспособность свыше месяца внутри организма человека.
Интеграция органических материалов в биоэлектронные схемы позволяет рассматривать будущее, в котором нейроинтерфейсы и биосовместимые гаджеты смогут стать постоянными спутниками человека, не вызывая при этом дискомфорта или необходимости в повторных хирургических вмешательствах для замены изношенных компонентов.
Мы стоим на пороге эры, где глубокая интеграция кремниевой (или в данном случае — органической) логики и биологического интеллекта станет привычной реальностью медицины будущего.