Большое достижение в создании интерфейса головной мозг – компьютер

Вновь разработанные электроды из «гладкого углерода» передают более устойчивые сигналы для восстановления подвижности людей с поврежденным спинным мозгом.

Исследователи разработали улучшенный тип электрода, который является более надежным, с увеличенным сроком действия в теле человека, передающий более чистый, устойчивый сигнал, чем электроды, изготовленные из современных существующих материалов. Такие электроды могут применяться для восстановления подвижности человека после повреждения спинного мозга. На картинке изображен лист электродов, произведенных из гладкого углерода, структурированных в микросхему. Когда люди повреждают спинной мозг и теряют подвижность в конечностях, это свидетельствует о наличии проблемы передачи нейронных импульсов. Мозг может дальше посылать чистые электрические импульсы и конечности могут по-прежнему получать их, но сигналы теряются в поврежденном спинном мозге. Центр сенсомоторной нейроинженерии (CSNE) во взаимодействии с Университетом Сан-Диего, Университетом Вашингтона и Масачусетским технологическим институтом работают над имплантируемым в головной мозг чипом, который способен записывать электрические сигналы и передавать их в конечности, обходя повреждение и восстанавливая движение. Недавно исследователи описали в своей публикации в журнале Nature Scientific Reports важные улучшения технологии, которая может обеспечить более устойчивое, продолжительное нахождение электродов в организме, передающих чистые, усиленные сигналы в конечности.

Технология, известная как «интерфейс головной мозг - компьютер», записывает сигналы с помощью электродов, которые представляют тонкие кусочки материала, считывающие сигналы с химических веществ головного мозга, известных как нейропередатчики. Записывая сигналы головного мозга в данный момент времени, человек намеревается сделать какое-то движение, интерфейс определяет соответствующие шаблоны электрических сигналов и направляет эти сигналы в нервные окончания конечности или протеза, восстанавливая тем самым мобильность и двигательную функцию.

«Существующие современные материалы для электродов изготавливаются из тонкопленочной платины. Проблема заключается в том, что эти электроды могут со временем разрушаться», - говорит один из ведущих исследователей Сэм Кассен, заместитель директора CSNE и преподаватель кафедры механической инженерии.

Кассен и его коллеги разработали электроды из гладкого углерода (разновидности углерода). Этот материал примерно в 10 раз ровнее, чем гранулированная тонкопленочная платина, что обеспечивает затрудненную коррозию под действием электрического тока и более продолжительную работу в теле человека, чем платиновые или сделанные из другого материала электроды.

«Гладкий углерод обеспечивает более достоверное считывание сигналов с нейротрансмиттеров», - говорит Кассен. «Мы получаем двойное превышение уровня сигнала над уровнем шума. Это более чистый и легче перехватываемый сигнал».

Электроды из гладкого углерода разрабатываются здесь в кампусе. Процесс включает в себя преобразование жидкого полимера в нужную форму, нагрев до температуры 1000 градусов Цельсия, после чего он становится гладким и обретает электрическую проводимость. После того, как электроды приготовлены и остыли, они внедряются в чипы, которые считывают и передают сигналы от головного мозга в нервы.

Исследователи лаборатории Кассена используют новые улучшенные интерфейсы "головной мозг – компьютер" для одновременной записи нейронных сигналов как с коры, так и изнутри головного мозга. «Если вы записываете сигналы изнутри, то вы можете записать сигнал с каждого нейрона в отдельности», - объясняет один из исследователей Элиза Кастаньола. «На поверхности вы записываете сигналы с кластеров (участков) нейоронов. Эта комбинация обеспечивает лучшее понимание сложной природы сигнальной системы головного мозга».

Аспирант лаборатории Кассена Миеко Хирабайши исследует отличительные особенности применения этой технологии. Она работает с крысами для определения возможности роста нервных окончаний при направленной электрической стимуляции спинного мозга. Идея заключается в том, что стимуляция может вызвать рост новых нервных клеток для замещения поврежденных тканей спинного мозга у людей. Новые электроды, произведенные из гладкого углерода, могут позволить ей стимулировать, читать электрические сигналы и лучше определять присутствие нейротрансмиттеров в спинном мозге.

Взаимодействие Университетов было спонсировано в 2011 году суммой в 18.5 миллионов долларов путем выделения гранта Национального научного фонда. В 2015 году этот грант был обновлен до 20 миллионов. Каждый из университетов сосредоточен в своей области знаний, но они работают над единой целью полного восстановления двигательных функций людей с заболеваниями нервной системы.

Назад

Не менее интересно