Цей мозковий імплантат на основі графену може проникати глибоко в мозок з його поверхні

Пошук способів зниження інвазивності мозкові імпланти можуть значно розширити їхні потенційні застосування. Новий пристрій, випробуваний на мишах, який знаходиться на поверхні мозку, але все ще може зчитувати активність глибоко всередині, може привести до безпечніших і ефективніших способів зчитування нейронної активності.

Вже існує безліч технологій, які дозволяють нам зазирнути у внутрішню роботу мозку, але всі вони мають обмеження. Мінімально інвазивні підходи включають функціональна МРТ, де сканер МРТ використовується для зображення змін кровотоку в мозку, і ЕЕГ, коли електроди, розміщені на шкірі голови, використовуються для сприйняття електричних сигналів мозку.

Перший вимагає, щоб пацієнт сидів у апараті МРТ, а другий є надто неточним для більшості застосувань. Підхід золотого стандарту передбачає введення електродів глибоко в тканини мозку для отримання найякісніших показань. Але це вимагає ризикованої хірургічної процедури, а рубці та неминуче зміщення електродів можуть призвести до погіршення сигналу з часом.

Інший підхід передбачає встановлення електродів на поверхні мозку, що є менш ризикованим, ніж глибокі імплантати мозку, але забезпечує більшу точність, ніж неінвазивні підходи. Але зазвичай ці пристрої можуть зчитувати активність лише нейронів у зовнішніх шарах мозку.

Тепер дослідники розробили тонкий прозорий поверхневий імплантат з електродами з графену, який може зчитувати нейронну активність глибоко в мозку. Цей підхід базується на машинному навчанні, щоб виявити взаємозв’язки між сигналами у зовнішніх шарах і сигналами далеко під поверхнею.

«Ми розширюємо просторове охоплення нейронних записів за допомогою цієї технології», — сказав Дуйгу Кузум, професор Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, який очолював дослідження. прес-реліз. «Навіть попри те, що наш імплантат знаходиться на поверхні мозку, його конструкція виходить за межі фізичного відчуття, оскільки він може виводити нервову активність із глибших шарів».

Сам пристрій виготовлено з тонкої полімерної смужки, у яку вбудовано щільний ряд крихітних графенових електродів лише 20 мікрометрів у поперечнику та з’єднаних надтонкими графеновими дротами з друкованою платою. Зменшення графенових електродів до такого розміру є серйозною проблемою, кажуть автори, оскільки це підвищує їхній імпеданс і робить їх менш чутливими. Вони обійшли це, застосувавши спеціальну техніку виготовлення, щоб осадити платинові частинки на електроди для посилення потоку електронів.

Важливо те, що і електроди, і полімерна стрічка прозорі. Коли команда імплантувала пристрій мишам, дослідники змогли пропустити лазерне світло через імплантат для зображення клітин глибше в мозку тварин. Це дало можливість одночасно електрично записувати з поверхні та оптично з більш глибоких областей мозку.

У цих записах команда виявила кореляцію між активністю зовнішніх і внутрішніх шарів. Тож вони вирішили перевірити, чи зможуть вони використовувати машинне навчання, щоб передбачати одне на основі іншого. Вони навчили штучну нейронну мережу на двох потоках даних і виявили, що вона може передбачати активність іонів кальцію — індикатора нейронної активності — в популяціях нейронів і окремих клітин у більш глибоких областях мозку.

Використання оптичних підходів для вимірювання активності мозку є потужною технікою, але вона вимагає, щоб голова суб’єкта була зафіксована під мікроскопом, а череп залишався відкритим, що робить непрактичним зчитування сигналів у реалістичних ситуаціях. Можливість передбачити ту саму інформацію, засновану виключно на поверхневих електричних показаннях, значно розширить практичність.

«Наша технологія дозволяє проводити більш тривалі експерименти, під час яких суб’єкт може вільно пересуватися та виконувати складні поведінкові завдання», — сказав Мехрдад Рамезані, один із авторів папір в Природа нанотехнології на дослідження. «Це може забезпечити більш повне розуміння нейронної активності в динамічних сценаріях реального світу».

Однак ця технологія все ще далека від використання на людях. Наразі команда лише продемонструвала здатність вивчати кореляції між оптичними та електричними сигналами, записаними в окремих мишах. Навряд чи ця модель може бути використана для прогнозування глибинної активності мозку за поверхневими сигналами в іншій миші, не кажучи вже про людину.

Це означає, що всі люди повинні пройти досить інвазивний процес збору даних, перш ніж підхід запрацює. Автори визнають, що потрібно зробити більше, щоб знайти зв’язки вищого рівня між оптичними та електричними даними, які дозволили б узагальнювати моделі для окремих людей.

Але враховуючи швидке вдосконалення технології, необхідної для проведення як оптичних, так і електричних зчитувань з мозку, може минути недовго, поки цей підхід стане більш здійсненним. І зрештою це може досягти кращого балансу між точністю та інвазивністю, ніж конкуруючі технології.

Автор зображення: тонкий, прозорий, гнучкий мозковий імплантат розташований на поверхні мозку, щоб уникнути його пошкодження, але за допомогою штучного інтелекту він все ще може визначати активність глибоко під поверхнею. Девід Бейлот/Інженерна школа Джейкобса в Сан-Дієго Каліфорнійського університету

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2024/01/11/this-graphene-based-brain-implant-can-peer-deep-into-the-brain-from-its-surface/