|
Лучшие в мире электроды для мозговых имплантов
|
|
|
|
Китайская исследовательская группа разработала растягивающийся гибкий микроэлектрод, который может динамически адаптироваться к движениям мозга, устраняя давнюю проблему в технологии инвазивного интерфейса мозг-компьютер (BCI), при которой обычные гибкие электроды склонны к смещению и втягиванию во время движения мозга.
|
|
|
|
Результаты исследования, проведенного под руководством Фан Ина, старшего научного сотрудника Китайского института исследований мозга в Пекине, были опубликованы в четверг в журнале Nature Electronics, родственном изданию Nature. В исследовании сообщается о растягивающемся гибком электроде, который сочетает в себе высокую пропускную способность при получении нейронных сигналов с биомеханической гибкостью.
|
|
|
|
Исследователи заявили, что новая архитектура электродов обеспечивает фундаментальное решение для долгосрочной стабильности инвазивных ИМК, позволяя имплантированным электродам механически соответствовать естественной пульсации мозга и внутричерепному смещению, значительно снижая риск потери сигнала и повреждения тканей.
|
|
|
|
Фанг рассказал Global Times в эксклюзивном интервью в субботу, что исследование было мотивировано проблемами, наблюдавшимися несколькими годами ранее во время инвазивных экспериментов с ИМК у приматов, отличных от человека.
|
|
|
|
|
|
|
"Около четырех лет назад мы обнаружили, что гибкие электроды несут в себе реальный риск втягивания из-за движения мозга", - сказал Фанг. - Это побудило нас изучить новые подходы, позволяющие снизить риск выдергивания электродов, когда один конец прикреплен к мозгу, а другой - к черепу".
|
|
|
|
Этот вопрос привлек к себе более широкое внимание в 2024 году после того, как компания Neuralink, принадлежащая американскому предпринимателю Илону Маску, провела свое первое инвазивное клиническое испытание ИМК на человеке. Однако около 85 процентов из 1024-канальных гибких электродов, имплантированных пациенту, отошли от мозга в течение нескольких недель после имплантации, в основном из-за того, что электроды были гибкими, но не растягивающимися и не могли приспособиться к естественным движениям мозга.
|
|
|
|
В условиях постоянной пульсации мозга и внутричерепных смещений традиционные линейные электроды с трудом адаптируются в реальном времени, что делает их склонными к смещению или даже полному извлечению из нервной ткани. Такое отсоединение не только снижает количество и точность собираемых нейронных сигналов, но и может спровоцировать воспалительные реакции в мозговой ткани.
|
|
|
|
В результате разработка новых гибких электродов, способных адаптироваться к динамике мозга и обеспечивать долгосрочную стабильную регистрацию сигналов, стала ключевым препятствием на пути клинического применения инвазивных ИМК, объяснила команда Fang в письменном ответе Global Times.
|
|
|
|
Для решения этой отраслевой задачи команда разработчиков предложила высокопроизводительную конструкцию растягивающегося электрода. Согласно результатам исследования, в конструкции используется чрезвычайно низкая жесткость ультратонких гибких пленок при изгибе, что позволяет перенаправить растягивающее напряжение в низкоэнергетические деформации, приводящие к потере устойчивости. Это позволяет электродам динамически отслеживать пульсации мозга и внутричерепные движения после имплантации, обеспечивая долговременную стабильность нервной ткани.
|
|
|
|
Фанг объяснил, что основная инновация заключается в спиральной конструкции электрода.
|
|
|
|
"Мы спроектировали электрод в виде спиральной конструкции. Поскольку он ультратонкий, он очень легко сгибается", - сказал Фанг. "Благодаря конструктивному дизайну мы преобразуем растяжение в изгиб и скручивание самого электрода, что значительно снижает усилие, необходимое для растяжения. После имплантации электрод может двигаться вверх и вниз в соответствии с естественной пульсацией мозга, предотвращая смещение или втягивание, как это было с электродами Neuralink".
|
|
|
|
Фан подчеркнул, что растягивающиеся электроды также значительно мягче, чем обычные линейные конструкции. Она отметила, что для растягивания линейных электродов Neuralink на 100 микрометров требуется усилие около 4 миллиньютонов, в то время как для новых растягиваемых электродов требуется всего 37 микроньютонов — примерно одна сотая этого усилия. Это существенно снижает механическую нагрузку на ткани головного мозга и, в первую очередь, помогает избежать иммунных реакций и образования глиальных рубцов, обычно связанных с традиционными линейными электродами.
|
|
|
|
Чтобы проверить надежность имплантации и ее долгосрочную стабильность, команда ученых провела систематические испытания на обезьянах. Результаты показали, что растягивающиеся гибкие электроды обеспечивают долговременную и стабильную нейронную запись в мозге приматов.
|
|
|
|
Чтобы дополнительно оценить возможности крупномасштабного приема сигналов, исследователи успешно имплантировали в мозг приматов растягивающуюся электродную матрицу высокой плотности с 1024 каналами - масштаб, сопоставимый с основными характеристиками Neuralink. Согласно исследовательскому документу, система обеспечила крупномасштабную и высококачественную запись нейронных сигналов, что еще раз подтвердило эксплуатационные преимущества растягиваемой конструкции.
|
|
|
|
Технология BCI, которая устанавливает прямой канал обмена информацией между мозгом и внешними устройствами, широко рассматривается как путь к более глубокой интеграции человеческого и искусственного интеллекта. Крупнейшие страны и регионы ускоряют свои исследования в секторе ИМК, и Китай включил разработку ИМК в рекомендации для своего предстоящего 15-го пятилетнего плана, подчеркнув сильную поддержку этой области на национальном уровне.
|
|
|
|
Источник
|
