Учёные из Датского технического университета (DTU), Копенгагенского университета, Университетского колледжа Лондона и ряда других научных организаций создали новый тип мозгового имплантата — длинный электрод толщиной с иглу, оснащённый микроскопическими каналами. Устройство получило название microfluidic Axialtrode (mAxialtrode). Оно позволяет размещать несколько функциональных точек по всей длине имплантата, что даёт возможность одновременно регистрировать нейронную активность и доставлять лекарственные препараты в конкретные участки разных областей мозга. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Science.
На данном этапе технология рассматривается прежде всего как инструмент для научных исследований. С её помощью специалисты смогут изучать, как сигналы распространяются через разные слои мозга в процессах, связанных с эпилепсией, памятью и принятием решений. В перспективе исследователи не исключают и терапевтического применения mAxialtrode: устройство могло бы доставлять препараты в точные точки, одновременно воздействуя на выбранные зоны мозга электрической или световой стимуляцией.
Постдокторант Куньян Суй, разработавший концепцию mAxialtrode вместе с доцентом Христосом Маркосом, отмечает, что главное преимущество устройства — объединение нескольких функций в одном имплантате. Это позволяет проводить более точные эксперименты и сокращает потребность во введении нескольких приборов в мозг. «Большинство современных мозговых имплантатов основаны на твёрдых материалах, таких как кремний, которые могут раздражать мозг и вызывать воспалительные реакции в тканях. Новый имплантат отличается тем, что изготовлен из мягких оптических волокон, похожих на пластик, и имеет специально скошенный наконечник, который делает его меньше и снижает повреждения при установке в мозг», — поясняет Куньян Суй. При этом он предупреждает, что до рутинного клинического применения технологии ещё далеко: потребуются масштабные испытания, дополнительная доработка и получение разрешений регулирующих органов.
Сегодня в исследованиях мозга часто используют оптические волокна с плоским торцом. Эти тонкие нити из стекла или пластика способны проводить свет в глубокие отделы мозга и широко применяются в оптогенетике — методике, при которой конкретные нервные клетки активируются с помощью света. Однако у обычных волокон есть существенное ограничение: они взаимодействуют с тканью мозга только на конце, так что стимулировать или отслеживать удаётся лишь одну точку за раз. Этот наружный конец называют дистальным наконечником, или «носом» волокна: именно здесь излучается свет и происходит контакт с тканью. В итоге учёные вынуждены измерять или стимулировать один слой мозга за раз, хотя многие мозговые функции зависят от взаимодействия нескольких слоёв и глубинных структур.
В основе mAxialtrode лежит значительно более крупный полимерный стержень, который нагревают и вытягивают в чрезвычайно тонкое волокно — примерно так же получают тонкую нить сахара, но с гораздо большей точностью. По центру волокна проходит светопроводящее ядро, а вокруг него расположены восемь микроскопических каналов для транспортировки жидкостей. В этих же каналах могут размещаться очень тонкие металлические провода для измерения электрической активности мозга. Готовое волокно имеет диаметр менее половины миллиметра и обладает высокой гибкостью: оно движется вместе с тканью мозга, а не давит на неё жёстко. Эта разница в жёсткости может иметь важное значение, поскольку твёрдые имплантаты при длительном нахождении в мозге способны вызывать воспалительные реакции.
Испытания устройства проводились не только в лаборатории, но и «in vivo» — на живых мышах. Электрод имплантировали в мозг животных и подключали к источникам света, регистрирующему оборудованию и небольшим насосам для подачи жидкостей. Эксперименты показали, что прибор способен стимулировать нервные клетки синим и красным светом, а также одновременно записывать электрическую активность с поверхностных и более глубоких областей мозга, включая кору и гиппокамп. Кроме того, удалось вводить разные вещества на разной глубине с точками доставки, расположенными почти в трёх миллиметрах друг от друга. Все эти измерения и виды стимуляции выполнялись с помощью одного лёгкого волокна, которое мыши переносили без заметных признаков дискомфорта. Валидацию нейрофизиологических данных и эксперименты на живых животных проводили совместно с доцентом Руне В. Бергом из Копенгагенского университета и доцентом Робом К. Уайксом из Университетского колледжа Лондона, которые внесли вклад в анализ нейронных цепей и моделей, связанных с эпилепсией. Сейчас научная группа занимается патентованием технологии мозгового электрода и изучает, что потребуется для начала его тестирования на пациентах в клинических условиях.