Конец проводов в мозгу навсегда. Нейрочип MOTE питается светом, читает ваши мысли год подряд и передаёт их… световыми вспышками

Когда мышь шевелит усами, в её голове вспыхивает электрическая буря. Небольшой датчик, внедрённый в ткань, подслушивает импульсы нервных клеток и передаёт их на внешний компьютер. Этот модуль меньше кристаллика соли, работает от света и тоже отправляет данные оптическим сигналом. Разработчики назвали систему MOTE и показали, что она способна непрерывно записывать активность у животных почти год — для мышей это примерно половина жизни — без заметного ущерба для тканей.

Идея таких приборов проста и одновременно очень амбициозна: получить постоянный доступ к электрическим сигналам в живой нервной системе, не разрушая её при этом. Нейроинтерфейсы уже помогают «перевести» активность коры в синтез речи, управлять компьютерным курсором или роботизированной рукой, возвращать движения людям после травмы. Чаще всего для этого используют решётки тонких электродов, которые вводят глубоко внутрь или укладывают на поверхность. Они фиксируют разряды отдельных нейронов и работу целых ансамблей, превращая их в цифровые потоки, с которыми далее работают алгоритмы.

Но у такой техники много слабых мест. Классические системы тянутся наружу шлейфами проводов к разъёму в кости черепа, который служит «порталом» для данных. Операции по установке сложные, а сама конструкция получается тяжёлой и громоздкой. Металлические контакты жёстко зафиксированы, тогда как мягкая нервная ткань постоянно чуть смещается при каждом ударе сердца или вдохе. Со временем вокруг точек контакта растёт рубцовый слой, качество записи падает, а иммунная система реагирует на всю конструкцию как на чужеродный объект.

Учёные пробуют уйти от этих ограничений. Одно направление — полностью беспроводные схемы, передающие информацию по радиоканалу, как миниатюрные рации. Пример — система «Neurograin», где множество микрочипов подают сигналы на тонкую накладку на коже головы. В других работах используют ультразвук для одновременной передачи энергии и команд. Есть и оптические подходы, когда через имплантированные световоды и микроскоп изучают активность генетически модифицированных нейронов, светящихся при возбуждении. Однако сами устройства занимают значительную часть объёма головы — у мышей размер модулей может быть сопоставим с долей всего органа.

К трудностям добавляется химическая среда. Нервная система омывается жидкостью, которая обеспечивает питание и выведение продуктов обмена, но для электроники такой раствор довольно агрессивен. Металлы корродируют, изоляция постепенно разрушается. Есть методы, позволяющие фиксировать активность в течение месяцев с помощью световых зондов и микроскопии, но они не подходят для массового применения и сильно ограничены по условиям эксперимента. Компактного, по-настоящему долговечного и при этом полностью беспроводного сенсора до недавнего времени не существовало.

Авторы MOTE поставили перед собой именно такую задачу: сделать модуль настолько маленьким, чтобы он почти не тревожил ткани, но при этом записывал сигналы быстрее, чем оптическа, и не требовал никакого генетического «подсвечивания» клеток. В основе решения лежит использование света как универсального ресурса — и для питания, и для передачи информации. Красный и инфракрасный диапазоны проходят через кожу и кость с относительно малыми потерями, поэтому их удобно использовать как внешний ресурс энергии. Внутри чипа установлен полупроводниковый элемент, похожий по принципу на миниатюрную солнечную батарею: он превращает падающее излучение в ток, который и питает схемы. Когда модуль считывает электрические колебания от окружающих нейронов, он кодирует их в последовательности коротких вспышек и отправляет обратно наружу. Здесь используется тот же принцип, что и в оптоволоконной связи или работе спутников: смысл заложен в длительности и интервалах между импульсами, а сами вспышки требуют очень небольших энергетических затрат.

Внутреннее устройство каждого MOTE напоминает простой однокристальный компьютер. На крошечной подложке размещено 186 транзисторов, сгруппированных в 3 функциональных блока. Первый усиливает слабые локальные потенциалы, которые регистрируются с окружающих клеток. Второй преобразует усиленный сигнал в формат, удобный для оптической передачи, формируя правильную «последовательность точек и тире». Третий управляет излучающим диодом, который собственно и посылает код наружу. Все элементы покрывают защитной оболочкой, созданной методом послойного осаждения по одному атомному слою. В результате получается очень тонкий, но стойкий барьер, который изолирует электронику от жидкой среды. Производственный процесс можно расширять: за один цикл изготовление идёт сразу для почти 100 экземпляров.

Перед тем как перейти к опыту на животных, исследователи проверили, сможет ли система корректно работать в культуре. Микрочипы поместили рядом с клетками сердечной мышцы в лабораторной чашке и убедились, что модули воспринимают электрические волны, возникающие при сокращении, и корректно передают их наружу. Это показало, что чувствительность и общая архитектура достаточны для регистрации быстрых биосигналов.

Следующий шаг — установка модулей в центральную нервную систему живых животных. В качестве мишени выбран участок, который у грызунов отвечает за обработку сигналов от усов. Это так называемая бочонковая кора: в ней каждая «колонка» связана с отдельным вибриссом, а развернутый набор электрических паттернов отражает как прикосновения, так и произвольные движения усов. У части подопытных чипы уложили на поверхность, не проникая в толщу. Основной группе устройства вводили с помощью наноиглы, чтобы разместить глубже. В последующие месяцы исследователи многократно раздражали усы и фиксировали ответные сигналы, которые небольшие сенсоры отправляли наружу в виде световых пакетов. Модули различали активность отдельных клеток и более крупные волны, связанные с поведением.

По наблюдениям команды, такие вмешательства переносились сравнительно мягко. За год у животных не отмечали судорожных приступов и других явных осложнений, которые иногда встречаются при установке более массивных систем. Мыши нормально передвигались, питались и вели себя как контрольные. При анализе тканей вокруг места внедрения обнаружили лишь ограниченную реакцию со стороны поддерживающих клеток, без грубого рубцевания, характерного для жёстких электродов.

Авторы подчеркивают, что разработанные датчики можно использовать не только в классических поведенческих экспериментах на грызунах. Одно из возможных направлений — изучение так называемых органоидов, миниатюрных трёхмерных структур из нервной ткани, которые выращивают из стволовых клеток. Такие «заготовки» воспроизводят ранние этапы формирования коры, содержат множество разных типов нейронов и плотную сеть связей, из-за чего крупные имплантаты легко нарушают их структуру. Опять же, крошечный оптоэлектронный модуль подходит для регистрации активности в этих моделях, практически не разрушая архитектуру.

Теоретические расчёты показывают, что при усовершенствовании чувствительных элементов и источников света отдельный модуль сможет надёжно работать на глубине до 6 миллиметров. Для мышей этого достаточно, чтобы охватить весь объём полушарий, а для органоидов — чтобы получать информацию из любой точки. До клинического применения у людей таким системам ещё далеко, но уже сейчас ясно, что переход на полностью беспроводную оптику делает их более совместимыми с методами визуализации вроде функциональной МРТ. Кроме того, подобные датчики можно адаптировать для спинного мозга, работы сердца или других органов, где важно увидеть быстрые изменения в режиме реального времени и при этом не разрушить исследуемую ткань.