Имплант меньше крупинки соли — учёные создали микрочип, который год считывает активность мозга без проводов

Исследователи из Корнеллского университета создали нейроимплант, который настолько миниатюрен, что умещается на поверхности кристаллика соли. При этом он способен на протяжении более года беспроводным способом фиксировать активность головного мозга у живого животного.

Разработка получила название MOTE — microscale optoelectronic tetherless electrode. Этот микрочип открывает путь к долговременному мониторингу нейронной активности без необходимости в инвазивных методах и крупногабаритных системах. Проектом руководили профессор Алиоша Молнар из Школы электротехники и вычислительной техники Корнелла и его бывший коллега по лаборатории, а ныне преподаватель Технологического университета Наньян (NTU) Сану Ли.

Размер устройства составляет всего около 300×70 микрон. Оно питается за счёт безопасного излучения в красном и ближнем инфракрасном диапазоне, проходящего сквозь мозговую ткань. Передача информации обратно осуществляется через слабые оптические импульсы: именно в таких вспышках зашифрованы сигналы нейронов.

Энергия света преобразуется в питание с помощью диода на основе арсенида алюминий-галлия. Тот же элемент используется для отправки данных наружу. Кроме того, в структуре чипа предусмотрен малошумящий усилитель и оптический кодировщик — оба созданы по тем же технологиям, что применяются при производстве стандартных микросхем.

По словам Молнара, это самый компактный имплант, способный регистрировать электрическую активность мозга и передавать её по беспроводному каналу. Для оптимальной энергоэффективности инженеры применили импульсно-позиционную модуляцию — метод кодирования, широко используемый в спутниковых оптических системах связи.

Перед внедрением в живые организмы устройство протестировали на культурах клеток. Затем его имплантировали в зону коры мозга лабораторных мышей, отвечающую за восприятие сигналов от усов. В течение года прибор стабильно фиксировал как одиночные всплески нейронов, так и медленные колебания синаптической активности. При этом поведение животных не менялось — они сохраняли нормальную подвижность и здоровье.

Главной задачей разработчиков было создание импланта, который бы не раздражал ткани. Как пояснил Молнар, традиционные электроды и волокна зачастую вызывают воспалительную реакцию из-за механического трения: мозг немного смещается относительно вживлённого компонента. MOTE настолько мал, что практически не нарушает окружающие структуры, при этом позволяет получать данные быстрее, чем визуализирующие методы, и не требует модификации нейронов.

Уникальный состав полупроводниковой начинки делает возможным получение сигнала даже в условиях МРТ-сканирования — чего нельзя добиться с обычными имплантами. Кроме того, технология может быть адаптирована для размещения в области спинного мозга или встраивания в замену черепной кости с целью непрерывного наблюдения.

Саму концепцию Молнар выдвинул ещё в 2001 году. Однако реальная работа началась только спустя десятилетие, когда он подключился к междисциплинарной инициативе Cornell Neurotech, объединяющей исследователей из разных факультетов университета.