Командой инженеров из школы инженерных и прикладных наук при Колумбийском университете разработана миниатюрная имплантируемая система, позволяющая считывать схемы мозга и манипулировать ими, сообщает Medical Xpress.
По мере того, как исследователи больше узнают о мозге, становится ясна эффективность нейростимуляции для изучения функций нервных цепей и лечения неврологических расстройств, как-то эпилепсия и болезнь Паркинсона. Но современные подходы к разработке полностью имплантируемого и биосовместимого устройства, способного выполнять такие вмешательства, сталкиваются с серьезными ограничениями – недостаточно высокое разрешение, а также чрезмерно крупные и громоздкие элементы, затрудняющие имплантацию риском осложнений.
Команда инженеров Колумбийского университета, возглавляемая доцентом кафедры электротехники Дионом Ходаголи, разработала новую методику, показывающую большие перспективы для улучшения подобных устройств. Опираясь на свою более раннюю работу – компактные, более эффективные конформные [подстраивающие под схемы работы мозга] биоэлектронные транзисторы и материалы – ученые сформировали высокоэффективные имплантируемые схемы, умеющие считывать схемы мозга и выполнять манипуляции над ними.
Для созданной американскими инженерами системы «мультиплексирование-затем-усиление» достаточно одного усилителя на мультиплексор, тогда как в современных подходах количество усилителей обычно равно числу каналов.
«Крайне важно добиться возможности обнаружения и лечения симптомов, связанных с расстройством мозга (например, эпилептических припадков) в формате реального времени», — сообщил доцент кафедры электротехники Колумбийского университета Дион Ходагхоли, известный разработчик био- и нейроэлектроники. «Наша система не только обладает меньшими размерами и более гибкая, чем существующие устройства, но также способна стимулировать сигналы произвольного формата одновременно по нескольким независимым каналам, тем самым достигая высокой универсальности».
Чтобы регистрировать, выявлять и локализовать эпилептические разряды, ученым требуется регистрация активности мозга в нескольких зонах одновременно за минимальные промежутки времени. Для этого необходимо устройство со схемой многоканального приема данных и обеспечения высокодискретной стимуляции. Обычным схемам необходимо количество усилительных схем, равное количеству каналов. Только так они достигают объединения получаемых сигналов в поток данных с мультиплексированием.
Взаимодействуя с крупными специалистами-неврологами, как-то Дженнифер Гелинас [нейробиолог, специалист по детской эпилепсии медцентра Ирвинга в Колумбийском университете] исследовательская группа сосредоточилась на улучшении эффективности электродов путем снижения импеданса [сопротивления между узлами цепи] при помощи проводящего полимера. Внезапно им пришла идея: почему бы в конструкции схемы не воспользоваться преимуществом усовершенствованных электродов и не разместить мультиплексор не после усилителя, а перед ним?
Так было разработано полностью имплантируемая и отзывчивая система, способная в реальном времени регистрировать индивидуальные нейронные потенциалы действия соответствующими электродами из проводящего полимера. Для данного устройства был разработан новый протокол с обратной связью, обеспечивающий подавление патологических связей между гиппокампом и корой головного мозга в эпилептической сети в режиме реального времени. Такой подход может помочь решить проблемы с памятью, часто сопровождающей эпилепсию.
В настоящее время исследовательская группа занимается интеграцией своей системы с различными экспериментальными платформами для улучшения функции нейронной сети и когнитивных навыков.