Крошечный имплантируемый электрод из углеродного волокна, разработанный в Мичиганском университете и продемонстрированный на крысах, может обеспечить долговременный интерфейс мозг-компьютер, который может улавливать объем и нюансы электрических сигналов в течение длительных периодов времени.
Это шаг, который однажды может привести к достижениям для людей, которые повысят качество жизни для многих за счет: предоставления инвалидам и людям с травмами позвоночника контроля над передовыми протезами, стимуляции крестцового нерва для восстановления контроля над мочевым пузырем, стимуляции шейного блуждающего нерва для лечения эпилепсии. и обеспечение глубокой стимуляции мозга в качестве возможного лечения болезни Паркинсона.
Новое исследование показывает перспективность электродов из углеродного волокна в передаче электрических сигналов от мозга крысы к внешнему компьютеру без повреждения тканей мозга. Прямая имплантация электродов из углеродного волокна в мозг позволяет улавливать более крупные и специфические сигналы, чем современные технологии.
"Существуют интерфейсы, которые можно имплантировать непосредственно в мозг, но по разным причинам срок их службы составляет от месяцев до нескольких лет," сказала Элисса Велле, недавний доктор.D. выпускник факультета биомедицинской инженерии UM. "Каждый раз, когда вы открываете череп для операции с участием мозга, это большое дело."
Кремний наиболее широко используется в современных мозговых имплантатах из-за его способности проводить электричество и его исторического использования в технологиях чистых помещений. Но человеческий организм воспринимает кремний как инородное вещество, а это означает, что он в течение длительного времени приводит к образованию рубцовой ткани. В конечном итоге он деградирует и больше не улавливает сигналы мозга, требуя удаления.
Углеродное волокно может быть ответом на получение высококачественных сигналов с интерфейсом, который работает годами, а не месяцами. Углерод – один из ключевых элементов в организме, он присутствует в органических молекулах, таких как белки, углеводы и жиры.
А путем лазерной резки и заточки углеродных волокон в крошечные субклеточные электроды в лаборатории с помощью небольшой паяльной лампы инженеры U-M использовали потенциал для превосходного захвата сигнала в той форме, которую организм с большей вероятностью воспримет.
"После имплантации он располагается внутри мозга таким образом, чтобы не мешать окружающим кровеносным сосудам, потому что он меньше этих кровеносных сосудов," Велле сказал. "Они будут двигаться и приспосабливаться к столь маленькому объекту, а не рваться, как при столкновении с более крупными имплантатами."
Меньший размер частично обеспечивает совместимость электрода с тканями мозга, но его игольчатая форма также может минимизировать уплотнение любой окружающей ткани. Было показано, что в организме существуют более крупные электроды на основе углерода, которые фактически стимулируют рост нервной ткани, а не ее разрушение. Команда U-M надеется, что дальнейшие испытания покажут аналогичный потенциал их электродов из углеродного волокна в мозге и нервах.
Предыдущая работа команды U-M продемонстрировала способность электрода улавливать сигналы из мозга крысы. В прошлом исследовании электроды из углеродного волокна значительно превосходили обычные кремниевые электроды: 34 процента электродов регистрируют сигнал нейрона по сравнению с 3 процентами. Затем лазерная резка увеличила это число до 71 процента через девять недель после имплантации. Благодаря усилению пламени эти высокопроизводительные зонды теперь можно имплантировать непосредственно в кору головного мозга, что устраняет необходимость во временном приспособлении для введения или челноке, а также в шейный блуждающий нерв крысы.
В мозг с его большой плоской поверхностью относительно легко вставить электроды. Но инженеры U-M также взяли на себя более сложную задачу – вставить заостренные электроды из углеродного волокна в нервы – с диаметром, который может быть таким маленьким, как толщина нескольких прядей волос.
По словам Синди Честек, доцента биомедицинской инженерии и главного исследователя лаборатории кортикального нейропротезирования, эти результаты показывают, что потенциал электродов U-M выходит за рамки манипуляций с протезами.
"Парализованный человек может не контролировать, например, мочевой пузырь," Честек сказал. "Возможно, мы сможем использовать эти меньшие электроды для стимуляции и записи сигналов из областей, недоступных для более крупных, например, шеи или спинного мозга, чтобы помочь пациентам получить некоторый уровень контроля."
Исследование опубликовано в последнем издании IEEE Transactions on Neural Systems and Regency Engineering. Статья озаглавлена: "Заостренные и механически прочные электродные решетки из углеродного волокна для нейронной записи."