Создан имплант из графена для двусторонней связи с мозгом в реальном времени

Ученые из испанских центров IMB-CNM-CSIC и ICN2 разработали двунаправленный нейронный интерфейс на основе графена, который способен одновременно регистрировать мозговую активность и воздействовать на нее. Результаты разработки опубликованы в журнале Nature Communications.

Нейронные интерфейсы — это устройства, которые вступают в прямой контакт с мозгом, считывают его сигналы или, наоборот, посылают импульсы для стимуляции. Их уже применяют при лечении болезни Паркинсона, эпилепсии и других неврологических заболеваний. Однако большинство существующих систем работают только в одну сторону.

Главное отличие новой разработки

В отличие от обычных интерфейсов, которые в основном только стимулируют мозг по заранее заданной программе, новый графеновый имплант может одновременно:

• с высокой чувствительностью регистрировать сигналы, включая сверхнизкие частоты
• улавливать слабые сигналы, включая сверхнизкочастотные
• фиксировать сигналы с высокой точностью, в том числе в сверхнизкочастотном диапазоне

Это позволяет создавать по-настоящему персонализированное лечение в реальном времени, а не использовать фиксированные настройки.

Для сравнения — Neuralink тоже умеет считывать мозговую активность и стимулировать нейроны, но его металлические электроды улавливают преимущественно высокочастотные сигналы и со временем теряют чувствительность из-за воспаления тканей вокруг имплантата. Графеновый чип работает в значительно более широком диапазоне и не вызывает такой реакции.

Как устроено устройство

Графен — сверхтонкий, гибкий и отлично проводящий материал. Ученые объединили в одной платформе две технологии на его основе.

• Первая — транзисторы из монослойного графена (gFET), которые улавливают даже очень слабые низкочастотные сигналы мозга.
• Вторая — микроэлектроды из нанопористого восстановленного оксида графена (rGO), которые подают точные электрические импульсы для модуляции активности нейронов.

Решение ключевой проблемы

Раньше при одновременной записи и стимуляции возникали сильные помехи (артефакты) — стимулирующие импульсы «забивали» полезный сигнал. Новое устройство успешно преодолело эту проблему.

Как отметил доктор Антон Гимера, один из ведущих авторов:

«Интеграция транзисторов и электродов делает двустороннюю связь более чувствительной и точной. Результаты показали, что мониторинг активности мозга, включая активность сверхнизких частот, не подвержен модуляции. Поэтому можно сказать, что устройство способно и слушать, и говорить».

Результаты испытаний

Устройство уже успешно протестировали на мышах в Университетском колледже Лондона. Оно продемонстрировало способность в реальном времени выявлять биомаркеры и отвечать на них точной, адаптивной стимуляцией.

Профессор Хосе А. Гарридо, один из ведущих авторов исследования, объяснил:

«Большинство клинических имплантатов, используемых при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона или эпилепсия, в настоящее время являются однонаправленными. Они основаны на электродах, работающих с фиксированными параметрами и не адаптирующихся к динамическим изменениям мозговой активности. Это приводит к тому, что терапия оказывается недостаточно специфичной и не может адаптироваться».

Работа стала результатом многолетнего сотрудничества IMB-CNM-CSIC и ICN2. На основе этих технологий уже создана компания INBRAIN Neuroelectronics, которая занимается выводом графеновых нейроинтерфейсов в клиническую практику. Первое испытание на людях уже проведено.

Эта технология приближает момент, когда импланты смогут не просто «вмешиваться» в работу мозга, а по-настоящему взаимодействовать с ним, как опытный врач, который постоянно подстраивается под состояние пациента.