Исследователи создали гибкий мозговой имплант толщиной меньше половины миллиметра, который через один зонд может одновременно записывать электрическую активность нейронов, подавать лекарства на разную глубину и стимулировать клетки светом. Испытания на мышах показали, что устройство способно работать сразу с несколькими слоями мозга, хотя до применения у людей технология пока не дошла.
Разработку авторы назвали микрофлюидным аксиальным электродом mAxialtrode. В исследовании описан полимерный зонд диаметром от 420 до 440 мкм с центральным световодом и восемью микроскопическими каналами вокруг него. Через каналы можно вводить жидкости, а при установке тонких вольфрамовых проводников диаметром 20 мкм они превращаются в электроды для регистрации активности нервных клеток.
Главное отличие mAxialtrode от многих волоконных имплантов заключается в скошенном конце. У обычного оптического волокна рабочие элементы сосредоточены у самого кончика, поэтому устройство взаимодействует преимущественно с одной небольшой областью ткани. Срез под углом распределяет выходы микроканалов и электроды вдоль оси импланта, благодаря чему один зонд получает доступ сразу к нескольким глубинам без механического перемещения.
В экспериментах исследователи вводили вещества через разные каналы и смогли разнести точки доставки по глубине на расстояние до 2,7 мм. Для обычного волокна с плоским концом при том же объёме жидкости диапазон составил 1,27 мм. Такая конструкция позволяет направлять разные препараты в отдельные участки ткани через один имплант.
Центральная часть зонда работает как оптическое волокно и проводит синий свет с длиной волны 470 нм и красный свет с длиной волны около 650 нм. Такая стимуляция нужна для оптогенетики, метода, при котором определённые нейроны заранее делают чувствительными к свету, а затем включают или подавляют их активность световыми импульсами.
Исследователи проверили одновременную стимуляцию и запись сигналов на живых мышах. В одном из экспериментов нижние электроды находились в гиппокампе, а верхние в коре, расстояние между крайними точками регистрации достигало примерно 900 мкм. Все восемь электродов записывали активность одновременно, а система смогла различить характерные различия тета-ритма между корой и гиппокампом.
Отдельный опыт показал, что имплант может возбуждать светочувствительные нейроны синими импульсами и сразу регистрировать вызванную активность. Свет при этом создаёт электрические помехи на ближайших электродах, однако авторы смогли снизить влияние таких артефактов фильтрацией сигнала. Исследователи подчёркивают, что подобные помехи необходимо учитывать при одновременной оптической стимуляции и электрической регистрации.
Само волокно изготовлено из гибких полимеров, а не из жёсткого кремния или стекла. Авторы рассчитывают, что более мягкий материал и заострённая форма будут меньше повреждать ткань при длительной имплантации. Через четыре недели после установки у мышей вокруг mAxialtrode наблюдалась менее выраженная реакция микроглии, чем вокруг полимерного волокна такого же диаметра с плоским концом. Однако опыт проводился на небольшом числе животных, а полученная разница находилась около принятой границы статистической значимости, поэтому делать далеко идущие выводы о биосовместимости пока рано.
Сейчас mAxialtrode остаётся прежде всего исследовательским инструментом. Один имплант может заменить несколько отдельных устройств для записи сигналов, введения препаратов и световой стимуляции, что особенно полезно при изучении цепей, проходящих через несколько слоёв мозга. Авторы рассматривают эпилепсию как одно из возможных направлений будущих исследований, поскольку эпилептическая активность может распространяться между корой и более глубокими структурами.
До лечебного импланта для человека разработке ещё далеко. Исследователям предстоит проверить долговременную безопасность, стабильность электродов и микроканалов, работу системы при хронической имплантации и возможность управлять устройством без громоздкого внешнего оборудования. В дальнейшем авторы предлагают добавить беспроводное управление и анализ сигналов в реальном времени, чтобы имплант мог реагировать на активность мозга и автоматически менять режим стимуляции или подачи препарата.
