Прозрачный нейронный имплантат для изучения активности мозга
Исследователи создали тонкий прозрачный нейронный имплантат, который может отслеживать активность на поверхности мозга, а также учитывать функции на более глубоком уровне. Есть надежда, что это приведет к созданию точного, но менее инвазивного интерфейса «мозг-компьютер».
В то время как имплантаты, которые позволяют компьютерам считывать активность, происходящую в мозге, неуклонно развиваются, в этой области существует фундаментальная проблема.
Имплантаты, которые считывают активность глубоко внутри нашего серого вещества, состоят из зондов, которые могут вызывать такие проблемы, как воспаление и рубцевание, а сигналы, которые они подают, могут со временем ухудшаться. Имплантаты, расположенные на поверхности мозга, не имеют таких проблем, но они не могут дать ученым ничего, кроме сигналов, распространяющихся по поверхности мозга.
Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего предприняли шаг, чтобы решить эту проблему. Они создали сверхтонкую полимерную пленку, состоящую из двух слоев прозрачных графеновых проволок, зажатых вокруг слоя азотной кислоты.
Поместив прозрачную пленку на мозг трансгенных мышей, команда смогла считывать поверхностные сигналы мозга грызунов. Однако настоящий прогресс происходит потому, что фильм прозрачен. Это позволило исследователям одновременно пропускать через него лазеры и использовать двухфотонный микроскоп для изображения шипов кальция в нейронах, которые находились на глубине до 0,25 мм под поверхностью. Кальций является ключевым компонентом того, как нейроны передают данные друг другу.
Затем исследователи смогли обучить модель машинного обучения устанавливать связь между поверхностной и подповерхностной активностью, по сути, научив ее понимать, что происходит глубже в мозге, на основе того, что датчик улавливает из поверхностных сигналов.
«С помощью этой технологии мы расширяем пространственный охват нейронных записей», — сказал старший автор исследования Дуйгу Кузум. «Несмотря на то, что наш имплантат находится на поверхности мозга, его конструкция выходит за пределы физического восприятия, поскольку он может определять нейронную активность из более глубоких слоев».
Исследователи также отмечают, что в настоящее время, чтобы наблюдать активность кальция внутри мозга, ученым необходимо фиксировать голову субъекта под микроскопом в ходе процедур, которые могут длиться максимум до двух часов. Новый имплантат не имеет этого ограничения.
«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».
Затем исследователи проверят свой имплантат на других моделях животных с прицелом на возможные испытания на людях. Они также поделились своими выводами с другими лабораториями в надежде ускорить развитие технологии.
«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», — говорят ученые.
Исследование опубликовано в журнале Nature Technology.