Надтонкий імплант для мозку поєднав три функції в одному волокні

Пристрій отримав назву microfluidic Axialtrode, скорочено mAxialtrode. Це гнучке волокно голчастої форми з мікроскопічними каналами, що тягнуться вздовж усієї його довжини. Завдяки цьому воно здатне працювати одразу з кількома ділянками мозку на різній глибині.

Над розробкою працювали фахівці Данського технічного університету, Копенгагенського університету, University College London та інших установ. Результати дослідження опубліковані в журналі Advanced Science.

Що вміє пристрій

Волокно записує електричну активність нервових клітин, доставляє лікарські речовини безпосередньо до потрібних зон, стимулює нейрони світлом і водночас охоплює як поверхневі, так і глибші структури мозку.

Раніше для роботи з глибокими відділами використовували тонкі оптичні волокна. Вони проводять світло всередину мозку й широко застосовуються в оптогенетиці — методі, який дозволяє активувати певні нервові клітини за допомогою світла. Але традиційне волокно взаємодіє з тканинами лише на самому кінчику, тож дослідник отримує фактично одну точку для стимуляції чи вимірювання. Щоб охопити кілька шарів мозку одночасно, доводиться вводити додаткові електроди та волокна.

mAxialtrode змінює цей підхід: функціональні елементи розміщені не лише на кінці, а по всій довжині пристрою.

Як він влаштований

Основою слугує полімерний стрижень, який нагрівають і витягують у надзвичайно тонке волокно — за принципом схоже на виготовлення нитки, але з набагато вищою точністю. У центрі проходить світлопровідне ядро, а навколо нього розташовані вісім мікроскопічних каналів для транспортування рідин. У цих каналах можуть розміщуватися й надтонкі металеві дроти, які реєструють електричну активність мозку.

У підсумку товщина волокна — менше 0,5 міліметра. Воно залишається достатньо гнучким, щоб рухатися разом із тканинами мозку, а не тиснути на них постійно. Для довготривалих імплантів це важливо, адже жорсткі матеріали, зокрема кремній, можуть подразнювати мозок і провокувати запальні реакції.

Постдокторант Данського технічного університету Кунян Суй, який розробив концепцію mAxialtrode разом із доцентом Крістосом Маркосом, пояснює, що новий пристрій відрізняється саме поєднанням гнучкості та кількох функцій. Більшість сучасних мозкових імплантів виготовлені з твердих матеріалів, таких як кремній, які можуть подразнювати мозок і викликати запальні реакції в тканинах. Новий імплант відрізняється тим, що виготовлений з м'яких, схожих на пластик оптичних волокон і має спеціально нахилений кінчик, завдяки чому він менший і завдає менше пошкоджень під час введення в мозок.

Що показали досліди на тваринах

Пристрій перевірили не лише в лабораторії, а й на живих мишах. Імплант встановили в мозок гризунів і під'єднали до джерел світла, систем запису сигналів та невеликих насосів для доставки рідин. Під час експериментів вчені стимулювали нервові клітини синім і червоним світлом, а пристрій одночасно фіксував електричну активність у різних ділянках.

Сигнали отримували як із поверхневих, так і з глибших структур, серед яких були кора головного мозку та гіпокамп. Крім того, волокно доставляло різні речовини до окремих зон: точки введення розташовувалися на різній глибині та на відстані майже 3 міліметри одна від одної. Усе це виконувало одне легке волокно, і, за спостереженнями дослідників, миші носили імплант без очевидних ознак дискомфорту.

Куди рухається технологія

Один із напрямів, де mAxialtrode може знайти застосування, — дослідження епілепсії. Експерименти та нейрофізіологічну перевірку проводили разом із доцентом Копенгагенського університету Руне В. Бергом і доцентом University College London Робом К. Вайксом. Їхня робота включала вивчення нейронних ланцюгів і моделей, пов'язаних з епілепсією. Поєднання кількох можливостей в одному імпланті може дозволити точніше досліджувати, як різні області мозку взаємодіють під час патологічної активності.

Утім, до медичного використання ще далеко. Самі розробники наголошують: технологія перебуває на дослідницькому етапі. Перед випробуваннями на людях потрібні додаткові експерименти, технічне вдосконалення та регуляторні процедури. Наразі команда займається патентуванням і вивчає вимоги для майбутнього переходу до клінічних випробувань.

Підсумок

Для батьків і студентів тут важливий загальний контекст: нейротехнології поступово переходять від жорстких електродів до м'яких багатофункціональних пристроїв. Якщо подальші дослідження підтвердять безпечність і ефективність mAxialtrode, одна гнучка конструкція зможе дати нейробіологам значно більше можливостей для одночасного вимірювання, стимуляції та доставки речовин у різні ділянки мозку.