Мозг постоянно немного смещается и пульсирует внутри черепа, поэтому для имплантированного электрода даже микроскопические движения со временем превращаются в серьезную проблему. Зонд постепенно меняет положение относительно клеток, сигнал начинает поступать уже от других нейронов, а мозговая ткань реагирует на инородный объект. Исследователи из Китайского института исследований мозга в Пекине разработали растягиваемые электроды, которые смогли стабильно отслеживать одни и те же нейронные ансамбли у мышей в течение 80 недель, примерно полутора лет.
Современные гибкие нейроэлектроды позволяют записывать активность отдельных клеток неделями и месяцами, однако длительное наблюдение за одними и теми же нейронами остается сложной задачей. Причина связана не только с долговечностью электроники. Между имплантом и мягкой тканью мозга постоянно возникают механические нагрузки, а вокруг зонда постепенно развивается глиоз. Глиальные клетки скапливаются возле инородного объекта и формируют тканевую реакцию, способную ухудшать контакт электродов с нейронами. Смещение зонда дополнительно мешает понять, принадлежит ли сигнал прежней клетке или соседнему нейрону.
Пекинская команда попыталась решить сразу обе проблемы с помощью массивов Umbrella-type Stretchable Electrode Arrays, сокращенно USEs. Растягиваемая конструкция зонтичного типа закрепляется в окружающей мозговой ткани и формирует более тесный нейроэлектронный интерфейс. Гибкая архитектура уменьшает механическое несоответствие между имплантом и мягкой тканью, а закрепление помогает ограничить постепенное смещение записывающих элементов. В экспериментах исследователи действительно зафиксировали меньший дрейф зонда и менее выраженный глиоз.
Главный эксперимент продолжался 80 недель. В течение примерно полутора лет массивы сохраняли достаточно стабильное положение, чтобы исследователи могли отслеживать одни и те же нейронные ансамбли у мышей с разрешением отдельных клеток. Животных во время основных измерений фиксировали головой, что позволяло сопоставлять электрические сигналы на протяжении длительного периода. Для хронических нейронных записей продолжительность особенно важна: обычная потеря стабильного контакта со временем затрудняет сравнение активности конкретных клеток между разными этапами эксперимента.
Отдельную проверку ученые провели в первичной зрительной коре мышей. Некоторые нейроны в зрительной системе избирательно реагируют на линии и другие стимулы определенной ориентации. Исследователи смогли последовательно регистрировать популяции подобных ориентационно-селективных нейронов на протяжении 20 недель. Эксперимент показал, что система способна не просто долго принимать электрические импульсы из одной области мозга, а сохранять доступ к функционально определенным группам клеток в течение нескольких месяцев.
Длительная стабильность особенно важна для исследований процессов, которые невозможно полноценно изучать за несколько дней или недель. Если ученые могут возвращаться к одним и тем же нейронным ансамблям месяцами, становится проще отделять реальные изменения работы нервной сети от изменений, вызванных перемещением электрода. Подобный подход также важен для нейроинтерфейсов, которым в перспективе придется надежно считывать мозговые сигналы не в рамках короткого эксперимента, а на протяжении длительного использования.
До применения у людей разработке еще далеко. Все описанные долговременные эксперименты проводились на мышах, а авторы пока говорят лишь о потенциальном использовании технологии в фундаментальной нейробиологии и клинических интерфейсах мозг-компьютер. Китайский институт исследований мозга и компания NeuCyber NeuroTech уже подали патентную заявку на конструкцию и метод использования USEs, причем среди изобретателей указаны несколько авторов научной работы.